CZ2021186A3 - Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování a zařízení pro provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Podstatou způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, kde laserový pulz dopadá na zpracovávaný díl (10), je to, že tepelné záření (12), které je vyzařované zpracovávaným dílem (10), se zaznamenává detekčním systémem (3), který vytváří časový průběh signálu, ve kterém jsou nalezeny změny a pomocí nich je určeno nejméně jedno charakteristické číslo, jehož hodnota se porovnává s rozsahem hodnot předem stanovených pro správně prováděnou operaci. V případě nesprávné hodnoty charakteristického čísla se provede korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování, přičemž se tento způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování opakuje. Zařízení obsahuje detekční optický systém (1), detekční systém (3), záznamový systém (4) a vyhodnocovací systém (5). Detekční systém (3) je spojen přes záznamový systém (4) a vyhodnocovací systém (5) s řídicím systémem (6), který řídí laser (7) a případně i laserový optický systém (8).

Description

Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu kontroly a řízení pulsního laserového mikro-zpracování a zařízení k provádění tohoto způsobu. Jedná se o perspektivní technologii umožňující jemné a přesné obrobení materiálu, vytvoření povrchové mikrostruktury či nanostruktury případně mikrostruktury a nanostruktury současně anebo naopak vyleštění povrchu. Tato technologie má však zatím i své limity a omezení a j imi j sou nedostatečná rychlost zpracování a možnost častých defektů, například lokální degradace povrchu.

Dosavadní stav techniky

Pulzní laserové mikro-zpracování je perspektivní technologie umožňující jemné a přesné obrobení materiálu, vytvoření povrchové mikrostruktury, nanostruktury nebo obojího pro ovlivnění fýzikálních vlastností materiálu, například odpuzování vody, pohlcování světla, zvýšená adheze, nebo naopak vyleštění povrchu. Tato technologie má však zatím i své limity a omezení a jimi jsou nedostatečná rychlost zpracování a možnost defektů, například lokální degradace, přepálení, přílišné nebo nedostatečné obrobení a nehomogenity struktury v lokálních místech. Tyto defekty se projeví na dílu jako vady a díl je nutno opravit nebo vyřadit. Neboje nutno zpracovávat díl celý pomaleji se slabšími parametry, například s nižším průměrným výkonem nebo frekvenci opakování pulzů, což vede k prvnímu omezení. Defekty na dílu jsou většinou objeveny až po celkovém zpracování při kontrole, například vizuální, 3D laserovým konfokálním mikroskopem, měřením rozměrů mikro-dílu, optickým mikroskopem nebo kontrolou funkčnosti textury povrchu. Defekty jsou tedy objeveny až po celkovém zpracování, kdy má díl již vysokou přidanou hodnotu a jeho vyřazení znamená velkou finanční a časovou ztrátu.

Pro kontrolu procesu již existují i některé zařízení a přístupy, které umožňují snímat informaci při procesu. Nejsou ale schopné řešit kontrolu a řízení procesu v průběhu procesu a pro každý laserový pulz. Jsou to například kamery ve viditelné a infračervené spektrální oblasti, které nemají ale dostatečně rychlou odezvu pro řízení procesu. Nebo v případě mikro-vrtání je používáno snímání vyzařování plazmatu fotodiodou pro možnost ukončení procesu, když plazma zmizí a otvor je již zcela proveden. Toto zařízení a způsob ale neumožňují kontrolu a řízení procesu v průběhu mikrozpracování.

V pulzním laserovém mikro-zpracování se používají pulzy s délkou v nanosekundách, pikosekundách a femtosekundách s opakovači frekvencí pulzů většinou od desítek kHz do desítek MHz. Když je již pulz vypuštěn není možné řídit jeho působení. Je ale možné snímat jeho odezvu a podle ní řídit pulzy další.

Na takové řízení se zaměřuje tento vynález. Na materiál při laserovém zpracování dopadá velké množství pulzů, například milióny. V jednom místě se pak v průběhu procesu překrývají desítky, stovky až tisíce pulzů. V materiálu pak zůstává zbytkové teplo, které se nestačí odvést do hloubky materiálu a akumuluje se, což se projeví zvýšením lokální povrchové teploty obráběného dílu. Pokud tato teplota překročí určitou prahovou hranici pro daný materiál, materiál se začne degradovat. V jiných aplikacích se naopak akumulace tepla používá pro přetavení materiálu a jeho vyleštění. Použití dávkového laserového zpracování s frekvencí opakování pulzů v dávce v řádu GHz je možné dosáhnout efektivnějšího a rychlejšího zpracování povrchu. Tento proces ale v sobě zahrnuje tepelné procesy, i když se jedná o pikosekundové nebo femtosekundové pulzy. Tyto tepelné procesy zatím nebylo možné v průběhu dávky nijak kontrolovat, pouze po celkovém zpracování při kontrole, jak již bylo uvedeno. Nalézání vhodných parametrů laserových procesů s GHz dávkami bez kontroly a řízení je obtížné a zdlouhavé a zároveň zpracování materiálu je citlivé

-1 CZ 2021 - 186 A3 na nehomogenity materiálu a geometrický tvar dílu, například kouty a úzké drážky, kde se o to více pak tvoří defekty.

Pro zvýšení rychlosti zpracování se začínají používat vices vážkové systémy, jako paralelní zpracování, nebo velkoplošné laserové svazky. V těchto systémech zatím není možné kontrolovat proces v jednotlivých laserových svazcích, nebo jednotlivých oblastech velkého svazku, v průběhu procesu. Také při použití skenovací hlavy pro pohyb laserového svazku po povrchu materiálu je problematické měření vždy v místě působení laserového svazku.

Podstata vynálezu

Podstata způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování spočívá v tom, že tepelné záření, které je vyzařované zpracovávaným dílem, se zaznamenává detekčním systémem, který vytváří časový průběh signálu, ve kterém jsou nalezeny změny, a pomocí nich se určuje nejméně jedno charakteristické číslo, jehož hodnota se porovnává s rozsahem hodnot předem stanovených pro správně prováděnou operaci a v případě nesprávné hodnoty charakteristického čísla se provede korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování, přičemž se tento způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování opakuje.

Časový průběh signálu se z analogové podoby elektrické veličiny dodané detekčním systémem převádí do digitální podoby.

Pro nalezení změn v časovém průběhu signálu se výhodně využívá derivace signálu a zahrnuje nalezení lokálního minima, lokálního maxima nebo nulové hodnoty derivovaného časového průběhu signálu.

Charakteristická čísla mají hodnotu času nebo signálu.

Charakteristickým číslem může být tepelný akumulační signál, který se určí jako průměr signálu v krátkém čase před časem rychlého nárůstu signálu.

Charakteristickým číslem může být čas prahového signálu tavení, který se určí jako rozdíl času překročení prahové hodnoty, která je vyšší než signál tavern, a času rychlého nárůstu signálu, přičemž pro případ určení času prahového signálu tavení pro dávkové laserové zpracování, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, se před vyhodnocením prahové hodnoty signál vyhladí pro odstranění jednotlivých pulzů v dávce.

Charakteristickým číslem může být čas prahového signálu tuhnutí, který se určí jako rozdíl času poklesu pod prahovou hodnotu, která je nižší než signál tuhnutí, a času maximálního signálu, přičemž pro případ určení času prahového signálu tuhnutí pro dávkové laserové zpracování, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, se použije průběh signálu na konci dávky po posledním pulzu.

Charakteristickými čísly mohou být maximální a minimální hodnoty rozdílu signálů ve druhé části dávky laserových pulzů, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, přičemž rozdíl signálů je určen jako rozdíl aktuální hodnoty signálu a průměru signálu v krátkém čase před časem rychlého nárůstu signálu na začátku dávky.

Kontrola a řízení podle vynálezu se může opakovat po každém laserovém pulzu nebo po každé dávce laserových pulzů s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz.

Kontrola a řízení se může provádět až v další zpracovávané vrstvě z naměřených dat v této nebo i předchozích vrstvách a z naměřených dat v tomto bodě nebo i sousedních bodech.

-2 CZ 2021 - 186 A3

Korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování se může provádět změnou průměrného výkonu laseru, nebo změnou energie pulzu, nebo změnou frekvence pulzů, nebo změnou délky pulzu nebo délky dávky pulzů, nebo změnou počtu pulzů v dávce, nebo změnou velikosti stopy laseru, nebo změnou polarizace laserového světla, nebo změnou rychlosti pohybu zpracovávaného dílu anebo změnou rychlosti pohybu laserového svazku.

Před nebo po nalezení změn se může časový průběh signálu převádět na časový průběh teploty.

Tepelné záření se může sbírat detekčním systémem pomocí detekčního optického systému z plochy větší, než je laserový svazek, a laserový svazek působí v této ploše.

Tepelné záření se může sbírat detekčním systémem pomocí detekčního optického systému z plochy menší, než je laserový svazek nebo sestava laserových svazků a zároveň relativní pozice středu měřené plochy tepelného záření a středu laserového svazku se v průběhu laserového zpracování mění opakovaně pro měření odezvy v různých částech velkého laserového svazku nebo sestavy více laserových svazků a řídicí systém v případě nesprávné hodnoty charakteristického čísla provádí korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování zvlášť pro jednotlivé části velkého laserového svazku nebo jednotlivé části sestavy více laserových svazků.

Nalezení změn v časovém průběhu signálu se provádí až po skončení laserového působení, tedy po laserovém pulzu, ze zaznamenaného časového průběhu signálu těsně před, při a po laserovém působení.

Rozsah hodnot pro správně prováděnou operaci se určuje experimentální kalibrací, nebo počítačovou simulací, nebo strojovým učením z předchozích laserových zpracování materiálu.

Podstatou zařízení k provádění způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování podle vynálezu je to, že obsahuje detekční optický systém, detekční systém, záznamový systém a vyhodnocovací systém, přičemž detekční systém je spojen přes záznamový systém a vyhodnocovací systém s řídicím systémem, který řídí laser a případně i laserový optický systém. Detekční systém obsahuje nejméně jeden detektor elektromagnetického záření citlivý na infračervené záření nebo viditelné světlo a mezi detekčním optickým systémem a detekčním systémem, nebo uvnitř jednoho z nich, je uložen filtr.

Záznamový systém obsahuje analogově-digitální převodník a vyhodnocovací systém obsahuje programovatelné hradlové pole.

Detekční optický systém obsahuje skenovací hlavu.

Výhodou použití uvedeného zařízení a způsobu je možnost on-line kontroly a řízení laserového mikro-zpracování po každém laserovém pulzu nebo dávce pulzů, což nebylo dosud možné. Výsledkem je pak vyšší rychlost zpracování materiálu bez ztráty kvality zpracování, což vede k úspoře času a následně k finančním úsporám.

Výhodami použití uvedeného způsobu a zařízení pro vyhodnocení akumulace tepla jsou zamezení degradace, přepálení či přílišného obrobení zpracovávaného dílu v lokálních místech, indikace míst s možným nedostatečným obrobením a umožnění jejich opravy a celkově tedy snížení zmetkovitosti při laserovém mikroobrábění a zároveň ušetření času obrábění, a tedy finanční zisk, protože není nutné obrábět celý díl slabšími parametry, například menším průměrným výkonem, po delší dobu kvůli potenciálně problematickým místům.

Výhodou řešení podle vynálezu je možnost kontrolovat a řídit laserové mikro-zpracování i při rychlém posuvu laserového svazku po povrchu dílu, například 10 m/s. Je také možné naprogramovat relativní pozici laserového a měřicího svazku nejenom do stejného místa, ale také v nějaké vzdálenosti od sebe, například měřicí svazek před nebo za laserový svazek. Další výhodou

-3 CZ 2021 - 186 A3 je možnost dynamického nastavení pozice měřicího a laserového svazku například i při pohybu obou svazků, což je možné využít pro vícesvazkové nebo velkoplošné laserové zpracování povrchu, kdy měřicí systém bude střídavě hodnotit kvalitu zpracování různými laserovými svazky nebo skupinami laserových svazků nebo jednotlivými částmi většího laserového svazku a systém vedení a směrování svazku bude dynamicky upravovat hustotu energie laserových pulzů v daném místě, tedy měřený svazek, skupina svazků nebo část většího svazku.

Výhodami použití uvedeného způsobu a zařízení pro vyhodnocení přetavení povrchu jsou zamezení degradace, přepálení či nedostatečného přetavení zpracovávaného dílu v lokálních místech, indikace míst s možným nekvalitním zpracováním a umožnění jejich opravy a celkově tedy vyšší rychlost zpracování materiálu bez ztráty kvality při laserovém přetavování.

Výhodami použití uvedeného způsobu a zařízení pro vyhodnocení kvality tvorby nano struktur jsou zamezení degradace, přepálení, přetavení, přílišného odběru materiálu či nedostatečného vytvoření nanostruktur na zpracovávaném dílu v lokálních místech, indikace míst s možným nekvalitním zpracováním a umožnění jejich opravy a celkově tedy snížení zmetkovitosti při laserovém vytváření nanostruktur.

Výhodami použití uvedeného způsobu a zařízení pro kontrolu a řízení kvality laserové dávkové ablace jsou zamezení degradace, přepálení či přílišného nebo nedostatečného obrobení zpracovávaného dílu v lokálních místech, indikace míst s možným nedostatečným obrobením a umožnění jejich opravy a celkově tedy vyšší rychlost zpracování materiálu bez ztráty kvality při laserovém mikroobrábění a texturování povrchu, a tedy finanční zisk, protože není nutné obrábět celý díl slabšími parametry, například menším průměrným výkonem, po delší dobu kvůli potenciálně problematickým místům. Laserová dávková ablace umožňuje efektivnější odebírání materiálu než jednotlivé pulzy a ve spojení s uvedeným způsobem a zařízením bude umožněno jejího plného využití bez rizika snížení kvality příliš silnými tepelnými efekty.

Výhodami použití uvedeného způsobu a zařízení pro kontrolu a řízení kvality laserového mikro zpracování v další vrstvě jsou předejití opakovanému přehřívání zpracovávaného dílu v lokálních místech a tím degradaci a přílišného obrobení, dále indikace míst s možným nedostatečným obrobením a umožnění jejich opravy a celkově tedy vyšší rychlost zpracování materiálu bez ztráty kvality při laserovém mikroobrábění a texturování povrchu a tedy finanční zisk, protože není nutné obrábět celý díl slabšími parametry, například menším průměrným výkonem, po delší dobu kvůli potenciálně problematickým místům.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení vynálezu je blíže vysvětleno na přiložených obrázcích, kde Obr. 1 znázorňuje schematické provedení zařízení pro kontrolu a řízení laserového mikro- zpracování, Obr. 2 znázorňuje signál akumulace tepla v krátkém čase před časem dalšího rychlého nárůstu signálu, Obr. 3 znázorňuje čas rychlého nárůstu signálu, Obr. 4 znázorňuje zařízení podle vynálezu v provedení, které je vhodné například pro laserové texturování či výrobu povrchových nanostruktur, Obr. 5 znázorňuje průběh znaku tavení a/nebo znaku tuhnutí v naměřeném signálu a jejich charakteristické hodnoty, Obr. 6 znázorňuje vyhovující a nevyhovující oblasti času prahového signálu tavení, Obr. 7 znázorňuje vyhodnocení znaku tuhnutí, Obr. 8 znázorňuje vyhodnocení kvality laserového vytváření nanostruktur prostřednictvím vyhodnocení znaku tuhnutí, Obr. 9 znázorňuje vyhodnocení času tavení pomocí lokálního minima derivace signálu, Obr. 10 znázorňuje vyhodnocení délky plata tuhnutí jako rozdílu časů lokálního maxima a lokálního minima derivace signálu, Obr. 11 znázorňuje vyhodnocení kvality dávkové laserové ablace pomocí rozdílu signálů v druhé části dávky, určeného jako rozdíl aktuální hodnoty signálu a průměru signálu z krátkého času před začátkem dávky, Obr. 12 znázorňuje mikroskopický tepelný obrázek mikro-zpracování se špičkami v místech vysokého tepelného akumulačního signálu a Obr. 13 znázorňuje obrázek upravených parametrů mikro-zpracování s údolími nižšího nastaveného

-4 CZ 2021 - 186 A3 průměrného výkonu laseru v místech vysokého tepelného akumulačního signálu v předchozí vrstvě zpracování.

Příklady uskutečnění vynálezu

Kontrola a řízem pulzního laserového mikro-zpracování podle popsaného vynálezu může být prováděna při zpracování různých materiálů, zejména kovů, ale i kompozitů, plastů, keramik a polovodičů. Typická délka laserových pulzů v tomto mikro-zpracování je od femtosekund do nanosekund a frekvence opakování pulzů laseru (7) je od kHz do GHz. Jako zdroj laserových pulzů se používají typicky pulzní lasery, které pracují stále v pulzním režimu. To znamená, že vydávají opakovaně za sebou laserové pulzy, tedy záblesky laserového záření. Mohou se ale použít i kontinuální nebo kvazikontinuální lasery pracující v pulzním režimu. Ty pak vydávají delší pulzy v řádu mikrosekund.

Příklad 1

Kontrola a řízení pulzního laserového mikro-zpracování podle popsaného vynálezu může být prováděna na zařízení podle Obr. 1. Laserový svazek 11 je veden od laseru 7 ke zpracovávanému dílu 10 pomocí pevného laserového optického systému 8 a je zaostřen objektivem 9, který je obvykle součástí laserového optického systému 8. Zpracovávaný díl 10 je posouván a otáčen pro přesné nasměrování laserového svazku 11 na určené místo na zpracovávaném dílu 10. Jednotlivé laserové pulzy dopadají na povrch materiálu zpracovávaného dílu 10 a povrch ohřívají, taví, přetváří nebo pomocí ablace odstraňují materiál z povrchu. Povrch materiálu zpracovávaného dílu 10 se zahřívá zbytkovým teplem a vyzařuje tepelné záření 12, Tepelné záření 12 je vedeno a zaostřeno na rychlý detekční systém 3 pomocí detekčního optického systému 1 Detekční systém 3 je umístěný vedle laserového optického systému 8. Částečně odražený laserový svazek 11 od zpracovávaného dílu 10, prošlý detekčním optickým systémem 1, je zastaven nebo odražen zpět filtrem 2 eliminujícím laserové záření, aby nebyl poničen detekční systém 3.

Tepelným zářením 12 je zde míněno elektromagnetické záření vznikající sáláním, tedy vyzařované tepelným pohybem částic z materiálu. Intenzita a vlnová délka tepelného záření 12 závisí výrazně na teplotě materiálu. Tepelné záření 12 má pro uvažované laserové procesy vlnovou délku hlavně v oblasti infračerveného záření, tedy 760 nm až 1 mm, a viditelného světla, tedy 400 nm až 760 nm.

Detekční systém 3 detekuje tepelné záření 12 a podle jeho intenzity generuje signál ve formě elektrického napětí. Detekční systém 3 posílá měřený signál do rychlého záznamového systému 4, například osciloskopické karty, kde je analogový napěťový signál převeden analogově-digitálním převodníkem na digitální signál. Záznamový systém 4 posílá digitální signál rychlému vyhodnocovacímu systému 5, který obsahuje programovatelné hradlové pole s nahraným programem, umožňující spuštění více funkčních bloků najednou a/nebo implementování algoritmů masivně paralelním způsobem. Vyhodnocovací systém 5 převede naměřený časový průběh signálu na jedno charakteristické číslo nebo několik čísel a pošle je řídicímu systému 6. Součástí zpracování signálu může být převedení signálu na teplotu.

Řídicí systém 6 zhodnotí, zdaje číslo odpovídající právě prováděné operaci, a pokud ne, provede korekci průměrného výkonu laseru, frekvence opakování laserových pulzů nebo dávek pulzů, energie pulzu, délky pulzu nebo dávky pulzů, počtu pulzů v dávce, velikosti laserové stopy například rozostřením, polarizace laserového světla, nebo rychlosti pohybu zpracovávaného dílu 10. Provedená korekce bude mít vliv na další laserové pulzy dopadající na materiál.

Detekční optický systém 1 typicky obsahuje dvě mimo-osáparaboloidická zrcadla, jednu nebo více optických čoček, mikroskopický objektiv nebo jejich kombinaci. Detekční systém 3 typicky obsahuje jeden detektor elektromagnetického záření, například z materiálu rtuť- kadmium-telurit,

-5 CZ 2021 - 186 A3 indium-galium-arsenit, indium-antimonit nebo křemík. Může ale obsahovat detektorů více, například pro spektrální měření a snadnější kalibraci pro přepočet teploty ze signálu, nebo pro hodnocení prostorového rozložení teploty v případě velkého laserového svazku nebo sestavy laserových svazků. Nebo, pro snímání tepelné odezvy rychle se pohybujícího svazku, je možné detektory umístit v řadě a svazek bude postupně procházet místy měřenými různými detektory. Pro získám většího signálu je vhodné použít detektor chlazený tekutým dusíkem, Stirlingovým motorem nebo termoelektricky. Pro snadnější kalibraci je vhodný detektor ve stejnosměrném zapojení. Rychlost odezvy detekčního systému 3 je typicky v nanosekundách ale může být od pikosekund do mikrosekund. Filtr 2, eliminující laserové záření, je tvořen například germaniem nebo křemíkem nebo tenkovrstvým optickým filtrem propouštějícím delší nebo kratší vlnové délky než je vlnová délka laserového světla. Pro jednodušší uspořádání lze filtr 2 zakomponovat do detekčního optického systému 1, například jako materiál nebo povrch jedné z čoček.

Pokud je systém kontroly a řízení již odladěný a výroba je prováděna opakovaně a jednoúčelově ve velké sérii, je výhodné využít plně analogový systém vyhodnocení dat a řízení, který je rychlejší a levnější. Záznamový systém 4, vyhodnocovací systém 5 a případně i řídicí systém 6 pak pracují v analogovém módu bez převádění signálu do digitální podoby.

Příklad 2

Zařízení a způsob podle popsaného vynálezu lze použít v rámci tohoto příkladu číslo 2 pro kontrolu a řízení kvality laserového mikroobrábění a texturování povrchu. Vyhodnocovací systém 5 vyhodnotí tepelný akumulační signál 13 jak je znázorněno na Obr. 2, jako průměr hodnot signálu v krátkém čase před časem dalšího rychlého nárůstu signálu 14 způsobeného dalším laserovým pulzem. Pro opakovači frekvenci pulzů 100 kHz může být průměrováno z času například 100 ns. Pro frekvenci 1 MHz pak z kratšího času např. 10 ns. Čas rychlého nárůstu signálu 14 je určen, jak je znázorněno na Obr. 3 jako čas, kdy rozdíl signálů 15 je několikanásobně větší, například třikrát, než velikost šumu 18 v předchozím krátkém čase. Rozdíl signálů 15 je rozdíl aktuální hodnoty signálu 16 a průměru signálu v krátkém čase 17. Velikost šumu 18 je určena jako rozdíl maximální a minimální hodnoty signálu v tomto krátkém čase. Tento krátký čas může být například dlouhý desítky nanosekund.

Vyhodnocovací systém 5 pošle řídicímu systému 6, jak je znázorněn na Obr. 1, hodnotu tepelného akumulačního signálu 13. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s nastavenou maximální přípustnou hodnotou signálu akumulace tepla pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota tepelného akumulačního signálu 13 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo sníží opakovači frekvenci pulzů, nebo zvětší velikost stopy laseru, anebo zvýší rychlost pohybu zpracovávaného dílu 10. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování v dalších vrstvách. Pokud v dalších pulzech hodnota tepelného akumulačního signálu 13. klesne výrazněji pod maximální přípustnou hodnotu, například více než o 5% její hodnoty, řídicí systém vrátí nastavení výkonu, energie, frekvence nebo rychlosti zpět na původní hodnotu a tento krok zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku li na zpracovávaném dílu 10.

Kontrola tvaru povrchu v zaznamenaných místech se provede standardní metodou, například pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu, po jedné nebo více provedených vrstvách, nebo na konci obrábění, a v případě nedostatečného obrobení se v těchto místech provede korekční laserové mikroobrábění. Vrstvou je zde míněna vrstva materiálu, která se má odebrat při jednom opakování procesu. Pokud se při laserovém mikroobrábění nebo texturování povrchu má materiál odebrat do určité hloubky, je hloubka rozdělena na vrstvy a materiál se odebírá postupně více opakováním laserového procesu, přičemž v různých vrstvách nemusí být rozměry díry ani způsob skládání laserových pulzů stejné.

Příklad 3

-6 CZ 2021 - 186 A3

Kontrola a řízení pulzního laserového mikro-zpracování dle popsaného vynálezu může být prováděna na zařízení podle Obr. 4, které je vhodné například pro laserové texturování, výrobu povrchových nanostruktur - laserově vybuzené periodické povrchové struktury - a mikro-leštění. Laserový optický systém 8 zde obsahuje skenovací hlavu, která pohybuje laserovým svazkem 11 a zpracovávaný díl 10 se při zpracovávání nepohybuje. Skenovací hlava je optický systém obsahující typicky dvě přesně řízená a rychle se naklápějící zrcátka umístěná na galvanometrech nebo rychle rotující polygonální zrcadlo, nebo obojí. Detekční optický systém i obsahuje druhou skenovací hlavu, která umožňuje detekčnímu systému snímat vyzářené tepelné záření 12 z pohybujícího se místa působení laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10. Je vhodné, aby skenovací hlava v laserovém optickém systému 8 i skenovací hlava v detekčním optickém systému 1 byly stejného typu, tedy galvanometrická, polygonální nebo hybridní. Případně může být vyzářené tepelné záření 12 vedeno skrz první skenovací hlavu zpět a za ní rozděleno od laserového svazku 11 a zaostřeno na detekční systém 3.

V případě kombinovaného zpracování velkých ploch se může pohybovat jak laserový svazek 11. tak zpracovávaný díl 10. Při využití popsaného zařízení je důležitá relativní pozice místa, ze kterého se snímá tepelné záření 12, a místa působení laserového svazku 11. Tato místa se budou typicky pohybovat spolu zároveň, buď mající středy přesně na stejném místě, nebo od sebe relativně vzdálené v určité vzdálenosti. Pro případ velkého laserového svazku nebo sestavy laserových svazků se tato relativní vzdálenost a pozice může po určitých časech, například po několika laserových pulzech, periodicky měnit pro kontrolu a řízení laserového zpracování v různých místech velkého laserového svazku 11. nebo sestavy laserových svazků 11.

Příklad 4

Zařízení a způsob podle popsaného vynálezu lze použít pro kontrolu a řízení kvality přetavení povrchu, například pro laserové mikro-leštění povrchu nebo přetavování tenkých vrstev. Tenkou vrstvou je myšlena vrstva jiného materiálu o tloušťce desítky nanometrů až jednotky mikrometrů nanesená na podkladovém materiálu.

Vyhodnocovací systém 5 vyhodnotí existenci znaku tavení 19 a/nebo znaku tuhnutí 20 v naměřeném časovém průběhu signálu a jejich charakteristické hodnoty, jak je patrno z Obr. 5. Proces s nedostatečným průměrným laserovým výkonem nebo energií v pulzu znázorňuje křivka ohřevu 21. bez znaků tavení a tuhnutí. Materiál byl jen ohřát a pak ochlazen, anebo bylo množství taveniny tak malé, že nebylo detekováno. Při laserovém leštění ultrakrátkými pulzy může časový průběh signálu obsahovat jen znak tuhnutí. Při laserovém přetavování tenkých vrstev delšími pulzy může časový průběh signálu obsahovat jen znak tavení. Charakteristickými čísly pro kontrolu a řízení kvality laserového přetavování mohou být například čas tavení 22, signál tavení 24, délka plata tuhnutí 23 nebo signál tuhnutí 26.

Způsob vyhodnocení kvality přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tavení 19 je ukázán na Obr. 6. Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení z předchozích laserových přetavení materiálu nebo pomocí počítačové simulace variant přetavení je stanovena oblast odpovídajících prahových časů 34 pro hodnoty času prahového signálu tavení 28, která pro dané parametry tavení zejména materiálu zpracovávaného dílu 10, případně tenké vrstvy na povrchu a její tloušťky, energie a délky pulzu laseru 7, velikosti laserové stopy, frekvence opakování pulzů a rychlosti pohybu laserového svazku 11. po zpracovávaném dílu 10. odpovídá kvalitně provedenému přetavení. Tato oblast je na Obr. 6 označena jako “OK” a odpovídá jí čas kvalitního přetavení 37. Čas prahového signálu tavení 28 se vypočte jako rozdíl času, kdy hodnota signálu převýší prahovou hodnotu Upa a času rychlého nárůstu signálu 14. Prahová hodnota UpAje zvolena podle zpracovávaného materiálu jako o něco vyšší hodnota signálu než je signál při tavení materiálu Uta. Při vyhodnocování signálu s výrazným šumem je před vyhodnocením času prahového signálu tavení 28 provedeno vyhlazení časového průběhu signálu, a to například pomocí klouzavého průměru.

-7 CZ 2021 - 186 A3

Pokud je čas prahového signálu tavení 28 nižší, dostáváme se do oblasti nižších prahových časů 36, což svědčí o nekvalitně provedeném přetavení, kde materiál může být poškozen vysokou teplotou, příliš zoxidován nebo odebrán. Pokud je čas prahového signálu tavení 28 vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších prahových časů 35, takže výsledkem kontroly je také nevyhovující přetavení, kde přetavení nemusí být homogenní a kompletně provedené. Nevyhovující oblasti času prahového signálu tavení 28 jsou v Obr. 6 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují časy nekvalitního přetavení 38.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému 6 jak je patrno na Obr. 1 hodnotu času prahového signálu tavení 28. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s oblastí odpovídajících prahových časů 34 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota času prahového signálu tavení 28 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo zvětší velikost stopy laseru. Pokud je poslaná hodnota času prahového signálu tavení 28 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo zmenší velikost stopy laseru. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování.

Způsob vyhodnocení kvality přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tuhnutí 20 je ukázán na Obr. 7. Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant přetavení je stanovena oblast odpovídajících prahových časů 34 pro hodnoty času prahového signálu tuhnutí 33, která pro dané parametry tavení zejména materiálu zpracovávaného dílu 10. případně tenké vrstvy na povrchu a její tloušťky, energie a délky pulzu laseru 7, velikosti laserové stopy, frekvence opakování pulzů a rychlosti pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10, odpovídá kvalitně provedenému přetavení. Tato oblast je na Obr. 7 označena jako “OK” a odpovídá jí čas kvalitního přetavení 37. Čas prahového signálu tuhnutí 33 se vypočte jako rozdíl času, kdy hodnota signálu poklesne pod prahovou hodnotu Upu a času maximálního signálu 27. Prahová hodnota Upuje zvolena podle zpracovávaného materiálu jako o něco nižší hodnota signálu, než je signál při tuhnutí materiálu Utu, ale vyšší než tepelný akumulační signál 13 pro daný proces. Při vyhodnocování signálu s výrazným šumem je před vyhodnocením času prahového signálu tuhnutí 33 provedeno vyhlazení časového průběhu signálu, a to například pomocí klouzavého průměru.

Pokud je čas prahového signálu tuhnutí 33 vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších prahových časů 35, což svědčí o nekvalitně provedeném přetavení, kde materiál může být poškozen vysokou teplotou, příliš zoxidován nebo odebrán. Pokud je čas prahového signálu tuhnutí 33 nižší, dostáváme se do oblasti nižších prahových časů 36. takže výsledkem kontroly je také nevyhovující přetavení, kde přetavení nemusí být homogenní a kompletně provedené. Nevyhovující oblasti času prahového signálu tuhnutí 33 jsou v Obr. 7 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují časy nekvalitního přetavení 38.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému 6, jak je znázorněno na Obr. 1, hodnotu času prahového signálu tuhnutí 33. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s oblastí odpovídajících prahových časů 34 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota času prahového signálu tuhnutí 33 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak sníží tepelné zatížení materiálu. Pokud je poslaná hodnota času prahového signálu tuhnutí 33 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak zvýší tepelné zatížení materiálu. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování.

Vyhodnocení kvality přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tavení 19 nebo znaku tuhnutí 20 je možno provést také pomocí derivace signálu. Příklad pro vyhodnocení znaku tavení 19 pomocí derivace signálu je ukázán na Obr. 9. Pro vyhodnocení znaku tavení 19 je provedena

-8 CZ 2021 - 186 A3 derivace naměřeného signálu od času rychlého nárůstu signálu 14 do času maximálního signálu 27. Pro každé dva body měřeného signálu je derivovaný signál roven podílu rozdílu hodnot signálu U a rozdílu hodnot času t v těchto dvou bodech. Při vyhodnocování signálu s výrazným šumem je před i po derivaci provedeno vyhlazení křivky časového průběhu signálu, a to například pomocí klouzavého průměru. Čas tavení 22 je vypočítán jako rozdíl času lokálního minima derivace signálu 29 a času rychlého nárůstu signálu 14.

Způsob vyhodnocení kvality přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tavení 19 pomocí lokálního minima derivace signálu je ukázán na Obr. 9. Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant přetavení je stanovena oblast odpovídajících časů tavení 30 pro hodnoty času tavení 22, která pro dané parametry tavení zejména materiálu zpracovávaného dílu 10, případně tenké vrstvy na povrchu a její tloušťky, energie a délky pulzu laseru 7, velikosti laserové stopy, frekvence opakování pulzů a rychlosti pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10. odpovídá kvalitně provedenému přetavení. Tato oblast je na Obr. 9 označena jako “OK” a odpovídá jí čas kvalitního přetavení 37.

Pokud je čas tavení 22 vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších časů tavení 31. což svědčí o nekvalitně provedeném přetavení, kde přetavení nemusí být homogenní a kompletně provedené. Pokud je čas tavení 22 nižší, dostáváme se do oblasti nižších časů tavení 32, takže výsledkem kontroly je také nevyhovující přetavení, kde materiál může být poškozen vysokou teplotou, příliš zoxidován nebo odebrán. Nevyhovující oblasti času tavení 22 jsou v Obr. 9 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují časy nekvalitního přetavení 38.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému 6 hodnotu času tavení 22. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s oblastí odpovídajících časů tavení 30 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota času tavení 22 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo zmenší velikost laserové stopy. Pokud je poslaná hodnota času tavení 22 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo zvětší velikost laserové stopy. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11. na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování.

Způsob vyhodnocení kvality přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tuhnutí 20 pomocí lokálního minima a maxima derivace signálu je ukázán na Obr. 10. V tomto případě je provedena derivace naměřeného signálu od času maximálního signálu 27 do času dalšího rychlého nárůstu signálu 14. Délka plata tuhnutí 23 je vyhodnocována jako rozdíl časů lokálního minima derivace signálu 29 a lokálního maxima derivace signálu 48. Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant přetavení je stanovena oblast odpovídajících časů tuhnutí 49 pro hodnoty délky plata tuhnutí 23, která pro dané parametry tavení zejména materiálu zpracovávaného dílu 10. případně tenké vrstvy na povrchu a její tloušťky, energie a délky pulzu laseru 7, velikosti laserové stopy, frekvence opakování pulzů a rychlosti pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10, odpovídá kvalitně provedenému přetavení. Tato oblast je na Obr. 10 označena jako “OK” a odpovídá jí čas kvalitního přetavení 37.

Pokud je délka plata tuhnutí 23 vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších časů tuhnutí 50, což svědčí o nekvalitně provedeném přetavení, kde materiál může být poškozen vysokou teplotou, příliš zoxidován nebo odebrán. Pokud je délka plata tuhnutí 23 nižší, dostáváme se do oblasti nižších časů tuhnutí 51. takže výsledkem kontroly je také nevyhovující přetavení, kde přetavení nemusí být homogenní a kompletně provedené. Nevyhovující oblasti délky plata tuhnutí 23 jsou v Obr. 10 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují časy nekvalitního přetavení 38.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému 6 hodnotu délky plata tuhnutí 23. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s oblastí odpovídajících časů tuhnutí 49 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota délky plata tuhnutí 23 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo zvětší

-9 CZ 2021 - 186 A3 velikost laserové stopy. Pokud je poslaná hodnota délky plata tuhnutí 23 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon lasem nebo energii v pulzu, nebo zmenší velikost laserové stopy. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování.

Způsoby vyhodnocení kvality a řízení procesu přetavení povrchu prostřednictvím vyhodnocení znaku tavení 19 nebo znaku tuhnutí 20, jak jsou popsány výše, je možno použít i v případě dávkového laserového zpracování s frekvencí opakování pulzů v dávce v oblasti GHz v rozsahu desítky MHz až jednotky THz, například při laserovém mikro-leštění. Vyhodnocení znaku tavení 19 je pak prováděno na začátku dávky, například v rámci prvních padesáti pulzů a vyhodnocení znaku tuhnutí 20 na konci dávky, tedy po posledním pulzu. Pro vyhodnocení znaku tavení 19 je pouze třeba provést vyhlazení signálu, například klouzavým průměrem pro odstranění špiček jednotlivých pulzů v signálu. Při řízení je pak možno také měnit energii a počet pulzů v dávce, délku dávky, frekvenci opakování pulzů v dávce a frekvenci opakování dávek pulzů. V některých případech, například v rámci velmi jemného tavení se bude znak tuhnutí 20 objevovat v rámci jednotlivých pulzů, tedy jejich špiček už v průběhu dávky pulzů s frekvencí opakování pulzů v dávce v oblasti GHz. Pak je možné vyhodnocení kvality provádět již v průběhu dávky pulzů prostřednictvím znaku tuhnutí 20 na některých nebo všech pulzech v dávce.

Kontrola přetavení povrchu v zaznamenaných místech se provede standardní metodou, například mikroskopem a v případě nekvalitního přetavení se v těchto místech provede korekční laserové zpracování.

Příklad 5

Zařízení a způsob podle popsaného vynálezu lze použít pro kontrolu a řízení kvality tvorby nanostruktur, jako jsou například laserově vybuzené periodické povrchové struktury.

Vyhodnocovací systém 5 vyhodnotí existenci znaku tuhnutí 20 v naměřeném signálu a jeho charakteristické hodnoty, což je znázorněno na Obr. 5.

Způsob vyhodnocení kvality laserového vytváření nanostruktur prostřednictvím vyhodnocení znaku tuhnutí 20 je ukázán na Obr. 8. Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant procesuje stanovena oblast odpovídajících prahových časů 34 pro hodnoty času prahového signálu tuhnutí 33, která pro dané parametry tvorby nanostruktur zejména materiálu zpracovávaného dílu 10, energie a délky pulzu laseru 7, velikosti laserové stopy, frekvence opakování pulzů a rychlosti pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10, odpovídá kvalitně vytvořené nanostruktuře. Tato oblast je na Obr. 8 označena jako “OK” a odpovídá jí čas kvalitní nanostruktury 39. Čas prahového signálu tuhnutí 33 se vypočte jako rozdíl času, kdy hodnota signálu poklesne pod prahovou hodnotu Upu, a času maximálního signálu 27. Prahová hodnota Upu je zvolena podle zpracovávaného materiálu jako o něco nižší hodnota signálu než je signál při tuhnutí materiálu Utu, ale vyšší než je tepelný akumulační signál 13 pro daný proces.

Pokud je čas prahového signálu tuhnutí 33 vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších prahových časů 35, což svědčí o nekvalitně vytvořené nanostruktuře, kde materiál může být přetaven, poškozen vysokou teplotou, příliš zoxidován nebo odebrán. Pokud je čas prahového signálu tuhnutí 33 nižší, dostáváme se do oblasti nižších prahových časů 36, takže výsledkem kontroly je také nevyhovující nanostruktura, kde nanostruktura nemusí být homogenní a kompletně vytvořená. Nevyhovující oblasti času prahového signálu tuhnutí 33 jsou na Obr. 8 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují časy nekvalitní nanostruktury 40.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému 6 podle Obr. 1 hodnotu času prahového signálu tuhnutí 33. Řídicí systém 6 porovná tuto hodnotu s oblastí odpovídajících prahových časů 34 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná hodnota času prahového

- 10CZ 2021 - 186 A3 signálu tuhnutí 33 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak sníží tepelné zatížení materiálu. Pokud je poslaná hodnota času prahového signálu tuhnutí 33 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak zvýší tepelné zatížení materiálu. Každou takovou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování.

Kontrola vytvořené nanostruktury povrchu v zaznamenaných místech se provede standardní metodou například mikroskopem a v případě nekvalitního přetavení se v těchto místech provede korekční laserové zpracování.

Příklad 6

Zařízení a způsob podle popsaného vynálezu lze použít pro kontrolu a řízení kvality laserové dávkové ablace prováděné pomocí dávek pulzů s frekvencí opakování pulzů v dávce v oblasti GHz, tedy desítek MHz až jednotky THz, například laserové mikroobrábění a texturování povrchu. Vyhodnocovací systém 5 vyhodnotí rozdíl signálů 15. jak plyne z Obr. 3 a Obr. 11, jako rozdíl aktuální hodnoty signálu 16 a průměru signálu v krátkém čase 17 před časem rychlého nárůstu signálu 14. Rozdíl signálů 15 je vyhodnocen v rozsahu časů ti až t₂, kdy je pro kvalitní zpracování hodnota signálu téměř konstantní s malými špičkami danými jednotlivými pulzy. Doba od času rychlého nárůstu signálu 14 do času ti je typicky několik desítek nanosekund a obsahuje několik desítek laserových pulzů. Doba mezi ti a 12 je většinou od desítek nanosekund do jednotek mikrosekund.

Pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant přetavení je stanovena oblast odpovídajících signálů 41, jak je zřejmé z Obr. 11 pro hodnoty rozdílu signálů 15. mezi časy ti a t₂, která pro dané parametry laserové dávkové ablace zejména materiálu zpracovávaného dílu 10, délka pulzu laseru 7, energie pulzu laseru 7 pro jednotlivé pulzy v dávce, frekvence opakování pulzů a dávek, délky dávky pulzů, počtu pulzů v dávce, velikosti laserové stopy a rychlosti pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10. odpovídá kvalitně provedenému obrábění. Tato oblast je na Obr. 11 označena jako “OK” a odpovídá jí signál kvalitní dávkové ablace 44.

Pokud je rozdílu signálů 15 alespoň v jednom bodě mezi časy ti a t₂ vyšší než nejvyšší přípustná hodnota, dostáváme se do oblasti vyšších signálů 42, což svědčí o nekvalitně provedené ablaci, kde materiál může být přetaven, poškozen vysokou teplotou, zoxidován nebo příliš odebrán. Pokud je rozdílu signálů 15 alespoň v jednom bodě mezi časy ti a t₂ nižší než nejnižší přípustná hodnota, dostáváme se do oblasti nižších signálů 43. takže výsledkem kontroly je také nevyhovující ablace, kde obrábění nemusí být homogenní a kompletně provedené. Nevyhovující oblasti rozdílu signálů 15 jsou v Obr. 11 označeny jako „NOK“. Uvedené oblasti představují signály nekvalitní dávkové ablace 45.

Při řízení procesu posílá vyhodnocovací systém 5 řídicímu systému ň, jak je znázorněno na Obr. 1, minimální a maximální hodnotu rozdílu signálů 15 mezi časy ti a t₂. Řídicí systém 6 porovná tyto hodnoty s oblastí odpovídajících signálů 41 pro právě prováděnou operaci. Pokud je poslaná maximální hodnota rozdílu signálů 15 vyšší než maximální přípustná hodnota, řídicí systém 6 sníží průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak sníží tepelné zatížení materiálu. Pokud je poslaná minimální hodnota rozdílu signálů 15 nižší než minimální přípustná hodnota, řídicí systém 6 zvýší průměrný výkon laseru nebo energii v pulzu, nebo jinak zvýší tepelné zatížení materiálu. Každou provedenou změnu řídicí systém 6 zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10 pro kontrolu a případné dopracování. Pokud jsou obě poslané hodnoty, tedy minimální a maximální, mimo oblast odpovídajících signálů 41 znamená to, že je proces dávkové ablace příliš nestabilní. Řídicí systém 6 neprovede žádnou změnu, pouze tuto informaci zaznamená spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10. Pokud je nestabilních míst příliš mnoho, může jít o vadu materiálu nebo je třeba celkově změnit

- 11 CZ 2021 - 186 A3 parametry procesu: energii v pulzu, její rozložení v průběhu dávky, opakovači frekvenci pulzů v dávce, počet pulzů v dávce, rychlost pohybu laserového svazku 11 po zpracovávaném dílu 10.

Kontrola tvaru povrchu v zaznamenaných místech se provede standardní metodou, například 3D laserovým konfokálním mikroskopem po jedné nebo více provedených vrstvách, nebo na konci obrábění a v případě nedostatečného obrobení se v těchto místech provede korekční laserové obrábění.

Příklad 7

Zařízení a způsob podle popsaného vynálezu lze použít pro kontrolu a řízení kvality laserového mikro-zpracování v další vrstvě pomocí shromáždění dat z předchozí vrstvy nebo více vrstev. Toto je zvláště výhodné pro mikro-obrábění a texturování, kde se proces skládá z několika až mnoha vrstev, aby bylo dosaženo požadované hloubky nebo tvaru.

Vyhodnocovací systém 5 převede naměřený časový průběh signálu najedno charakteristické číslo nebo několik čísel a tato čísla pošle řídicímu systému 6. Součástí zpracování signálu může být převedení signálu na teplotu. Řídicí systém 6 charakteristická čísla zaznamenává spolu s aktuální pozicí laserového svazku 11 na zpracovávaném dílu 10. Tvoří tak v paměti z jedné vrstvy mikrozpracování mikroskopický tepelný obrázek 46 mikro-zpracování ve formě 2D nebo 3D plochy, jak znázorňuje Obr. 12, kde U je charakteristické číslo signálu. Řídicí systém 6 po dopracování vrstvy, nebo už v průběhu po částech, vyhodnocuje rozdíly v jednotlivých místech a připravuje parametry laserového procesu pro další vrstvu. Ty jsou reprezentovány obrázkem upravených parametrů 47 jak znázorňuje Obr. 13, kde P je průměrný výkon laseru, což bude znamenat nižší energii v pulzu v místech, kde byl vyšší tepelný signál. Výsledné parametry v určitém bodě mohou být vypočteny na základě hodnot charakteristických čísel jen v tomto bodě, nebo i na základě hodnot v okolních bodech, a to i z předchozích několika vrstev mikro-zpracování. Okolními body jsou myšleny jak body v jedné linii, na které se posunuje laserový svazek na zpracovávaném dílu, tedy místa předchozích a následných laserových pulzů, tak i body v sousedních liniích, tedy místa laserových pulzů dopadajících v blízkosti na sousedních liniích.

Charakteristickými čísly pro laserové mikro-obrábění a texturování mohou být například tepelný akumulační signál 13. maximální signál 25, čas prahového signálu tuhnutí 33 a minimální a maximální hodnota rozdílu signálů 15 mezi časy ti a Ϊ2 v dávkové ablaci. Správné nastavení úprav parametrů se určí pomocí experimentální kalibrace, strojového učení nebo pomocí počítačové simulace variant mikro-zpracování.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze použít při veškerých způsobech kontroly a řízení pulsního laserového mikrozpracování a pro stavbu zařízení k provádění tohoto způsobu. Jedná se o velmi perspektivní technologii umožňující jemné a přesné obrobení materiálu, vytvoření povrchové mikrostruktury či nanostruktury případně mikrostruktury a nanostruktury současně anebo naopak vyleštění povrchu.

Vynález lze použít ve výrobních a výzkumných laserových strojích a přístrojích pro laserové mikroobrábění, například malých součástek, lokálních úběrů materiálů do přesných tvarů, vrtání mikro-děr, dále pro laserové texturování povrchů pro vytvoření fúnkčních povrchů obsahujících mikrostruktury a nanosktruktury, například odpuzování vody, pohlcování světla, zvýšená adheze, antibakteriální, antivirové, tribologické snižující nebo zvyšující tření, a dále pro laserové mikro leštění, například odlévacích forem, 3D tištěných součástí, optických čoček a zrcadel, lisovacích nástrojů, medicínských nástrojů.

Claims (20)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, kde laserový pulz dopadá na zpracovávaný díl (10), vyznačující se tím, že tepelné záření (12), které je vyzařované zpracovávaným dílem (10), se zaznamenává detekčním systémem (3), který vytváří časový průběh signálu, ve kterém jsou nalezeny změny a pomocí nich se určuje nejméně jedno charakteristické číslo, jehož hodnota se porovnává s rozsahem hodnot předem stanovených pro správně prováděnou operaci a v případě nesprávné hodnoty charakteristického čísla se provede korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování, přičemž se tento způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování opakuje.
2. 2. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že časový průběh signálu se z analogové podoby elektrické veličiny dodané detekčním systémem převádí do digitální podoby.
3. 3. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro nalezení změn v časovém průběhu signálu se využívá derivace signálu a zahrnuje nalezení lokálního minima, lokálního maxima nebo nulové hodnoty derivovaného časového průběhu signálu.
4. 4. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikrozpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že charakteristická čísla mají hodnotu času nebo signálu.
5. 5. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 4, vyznačující se tím, že charakteristickým číslem je tepelný akumulační signál (13), který se určí jako průměr signálu v krátkém čase (17) před časem rychlého nárůstu signálu (14).
6. 6. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 4, vyznačující se tím, že charakteristickým číslem je čas prahového signálu tavení (28), který se určí jako rozdíl času překročení prahové hodnoty, která je vyšší než signál tavení (24), a času rychlého nárůstu signálu (14), přičemž pro případ určení času prahového signálu tavení (28) pro dávkové laserové zpracování, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, se před vyhodnocením prahové hodnoty signál vyhladí pro odstranění jednotlivých pulzů v dávce.
7. 7. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro- zpracování, podle nároku 4, vyznačující se tím, že charakteristickým číslem je čas prahového signálu tuhnutí (33), který se určí jako rozdíl času poklesu pod prahovou hodnotu, která je nižší než signál tuhnutí (26), a času maximálního signálu (27), přičemž pro případ určení času prahového signálu tuhnutí (33) pro dávkové laserové zpracování, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, se použije průběh signálu na konci dávky po posledním pulzu.
8. 8. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro- zpracování, podle nároku 4, vyznačující se tím, že charakteristická čísla jsou maximální a minimální hodnoty rozdílu signálů (15) ve druhé části dávky laserových pulzů, s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz, přičemž rozdíl signálů (15) je určen jako rozdíl aktuální hodnoty signálu (16) a průměru signálu v krátkém čase (17) před časem rychlého nárůstu signálu (14) na začátku dávky.
9. 9. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že kontrola a řízení se opakuje po každém laserovém pulzu nebo po každé dávce laserových pulzů s frekvencí opakování pulzů v dávce v rozsahu od 20 MHz do 10 THz.

   - 13 CZ 2021 - 186 A3
10. 10. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že kontrola a řízení se provádí až v další zpracovávané vrstvě z naměřených dat v této nebo i předchozích vrstvách a z naměřených dat v tomto bodě nebo i sousedních bodech.
11. 11. Způsob kontroly a řízem pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování se provádí změnou průměrného výkonu laseru, nebo změnou energie pulzu, nebo změnou frekvence pulzů, nebo změnou délky pulzu nebo délky dávky pulzů, nebo změnou počtu pulzů v dávce, nebo změnou velikosti stopy laseru, nebo změnou polarizace laserového světla, nebo změnou rychlosti pohybu zpracovávaného dílu anebo změnou rychlosti pohybu laserového svazku.
12. 12. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že před nebo po nalezení změn se časový průběh signálu převádí na časový průběh teploty.
13. 13. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že se tepelné záření (12) sbírá detekčním systémem (3) pomocí detekčního optického systému (1) z plochy větší, než je laserový svazek (11), a laserový svazek (11) působí v této ploše.
14. 14. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že se tepelné záření (12) sbírá detekční systémem (3) pomocí detekčního optického systému (1) z plochy menší, než je laserový svazek (11) nebo sestava laserových svazků a zároveň relativní pozice středu měřené plochy tepelného záření (12) a středu laserového svazku (11) se v průběhu laserového zpracování mění opakovaně pro měření odezvy v různých částech velkého laserového svazku (11) nebo sestavy více laserových svazků a řídicí systém (6) v případě nesprávné hodnoty charakteristického čísla provádí korekce parametrů pulzního laserového mikro-zpracování zvlášť pro jednotlivé části laserového svazku (11) nebo jednotlivé části sestavy více laserových svazků.
15. 15. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že nalezení změn v časovém průběhu signálu se provádí až po skončení laserového působení, tedy po laserovém pulzu, ze zaznamenaného časového průběhu signálu těsně před, při a po laserovém působení.
16. 16. Způsob kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozsah hodnot pro správně prováděnou operaci se určuje experimentální kalibrací nebo počítačovou simulací nebo strojovým učením z předchozích laserových zpracování materiálu.
17. 17. Zařízení k provádění způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, vyznačující se tím, že obsahuje detekční optický systém (1), detekční systém (3), záznamový systém (4) a vyhodnocovací systém (5), přičemž detekční systém (3) je spojen přes záznamový systém (4) a vyhodnocovací systém (5) s řídicím systémem (6), který řídí laser (7) a případně i laserový optický systém (8).
18. 18. Zařízení k provádění způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 17, vyznačující se tím, že detekční systém (3) obsahuje nejméně jeden detektor elektromagnetického záření citlivý na infračervené záření nebo viditelné světlo a mezi detekčním optickým systémem (1) a detekčním systémem (3), nebo uvnitř jednoho z nich, je uložen filtr (2).
19. 19. Zařízení k provádění způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 17, vyznačující se tím, že záznamový systém (4) obsahuje analogově-digitální převodník a vyhodnocovací systém (5) obsahuje programovatelné hradlové pole.
20. 20. Zařízení k provádění způsobu kontroly a řízení pulzního laserového mikro-zpracování, podle nároku 17, vyznačující se tím, že detekční optický systém (1) obsahuje skenovací hlavu.