FR3001647A1

FR3001647A1 - Machining a product by displacement of laser beam on product, where the machining is carried out in multiple stages in which beam overlap is zero so as to spatially shift impacts of each stage to reduce thermal effects on machining edge

Info

Publication number: FR3001647A1
Application number: FR1350957A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Compere; Emmanuel Baubeau; Herve Soder
Original assignee: IMPULSION
Current assignee: IMPULSION
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-08

Abstract

The method for machining a product by the displacement of a laser beam on the product to be machined, is claimed. The machining is carried out in multiple stages in which the beam overlap is zero so as to spatially shift impacts (I1-I5) of each stage in order to decrease accumulation of energy and to reduce thermal effects on a machining edge of the product. The first stage: carries out a set of spaced impacts of a given distance; and reiterates the operation with a reduced space shift so that each impact covers one with the impacts of the preceding stage. The method for machining a product by the displacement of a laser beam on the product to be machined, is claimed. The machining process is carried out in multiple stages in which the beam overlap is zero so as to spatially shift impacts (I1-I5) of each stage in order to decrease accumulation of energy and to reduce thermal effects on a machining edge of the product. The first stage: carries out a set of spaced impacts of a given distance; reiterates the operation with a reduced space shift so that each new impact covers one with the impacts of the preceding stage; and repeats the operation for many times, so that the laser projections form desired machining. An independent claim is included for a laser device for machining a product.

Description

L'invention se rattache au secteur technique de l'usinage d'une pièce quelconque au moyen d'un laser à régime impulsionnel. Selon l'état de la technique et d'une manière parfaitement connue pour un homme du métier, pour réaliser un usinage laser on déplace le faisceau laser par rapport à l'échantillon considéré de manière à décrire une trajectoire qui est correspondant à l'usinage souhaité. Le laser est déplacé de sorte qu'il y a recouvrement de l'énergie déposée par deux impulsions successives.The invention relates to the technical sector of the machining of any part by means of a pulsed-mode laser. According to the state of the art and in a manner well known to a person skilled in the art, in order to perform a laser machining, the laser beam is displaced with respect to the sample in question so as to describe a trajectory that corresponds to machining. wish. The laser is displaced so that there is recovery of the energy deposited by two successive pulses.

On renvoie à la figure 1 qui montre les impacts des impulsions laser lors de l'usinage d'une ligne selon l'état antérieur de la technique. Le taux de recouvrement correspond au rapport entre l'écart entre deux impacts successifs et le diamètre dudit impact. La matière est ainsi usinée de proche en proche. Pour obtenir un taux de recouvrement précis, il est possible de régler la vitesse de balayage en prenant en considération la cadence du laser. Plusieurs passages peuvent être nécessaires pour réaliser l'usinage recherché. Un procédé d'usinage par laser, selon l'état de la technique, comme rappelé ci-dessus, peut affecter la qualité de l'usinage. En effet, le matériau subi une transformation physique lorsque l'interaction avec le laser est intense. Le matériau est soumis à une température supérieure à la température de sublimation en un temps d'autant plus court que la durée de l'impulsion est courte. Une partie de l'énergie déposée se diffuse sur les bords ou sur le fond de l'usinage considéré, modifiant ainsi le matériau. Le dépôt de l'énergie diffusée sur les bords de l'usinage s'effectue selon deux échelles : - Une échelle dite, monocoup, qui correspond à la diffusion thermique sur les bords du matériau lors d'un seul impact. Ce dépôt d'énergie dépend du processus en tant que tel. Le phénomène thermique a tendance à décroitre avec la durée d'impulsion mais est toujours présente. - Une échelle dite, cumulative, qui dépend du taux de répétition du laser et du taux de recouvrement. Ainsi, lorsque le temps caractéristique de diffusion de la chaleur est supérieur à la période du laser, la chaleur n'a pas le temps de s'évacuer du bord de découpe entre deux impulsions. Il en résulte que la température aux bords s'élève excessivement générant une zone affectée thermiquement. On renvoie à la courbe illustrée figure 2. Pour remédier à ces inconvénients on a proposé d'augmenter la vitesse de balayage en diminuant le taux de recouvrement et en augmentant le nombre de passages. Toutefois, cette solution n'est pas satisfaisante étant donné qu'elle conduit à une répartition aléatoire du dépôt d'énergie et à une moins bonne ma(i)îtrise de la précision d'usinage. L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle.Referring to Figure 1 which shows the impacts of laser pulses when machining a line according to the prior art. The recovery rate corresponds to the ratio between the difference between two successive impacts and the diameter of said impact. The material is thus machined step by step. To obtain a precise recovery rate, it is possible to adjust the scanning speed by taking into account the rate of the laser. Several passages may be necessary to achieve the desired machining. A laser machining method, according to the state of the art, as recalled above, can affect the quality of machining. Indeed, the material undergoes a physical transformation when the interaction with the laser is intense. The material is subjected to a temperature above the sublimation temperature in a shorter time as the duration of the pulse is short. Part of the deposited energy is diffused on the edges or on the bottom of the machining considered, thus modifying the material. The deposit of the energy scattered on the edges of the machining is carried out according to two scales: - A so-called scale, one-shot, which corresponds to the thermal diffusion on the edges of the material during a single impact. This energy deposit depends on the process as such. The thermal phenomenon tends to decrease with pulse duration but is still present. - A so-called cumulative scale, which depends on the laser repetition rate and the recovery rate. Thus, when the characteristic heat diffusion time is greater than the laser period, the heat does not have time to escape from the cutting edge between two pulses. As a result, the temperature at the edges rises excessively generating a thermally affected area. Reference is made to the curve shown in FIG. 2. To overcome these drawbacks, it has been proposed to increase the scanning speed by decreasing the recovery ratio and increasing the number of passes. However, this solution is not satisfactory since it leads to a random distribution of the energy deposit and to a less good control of the machining precision. The object of the invention is to remedy these disadvantages in a simple, safe, effective and rational manner.

Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'obtenir une meilleure répartition temporelle de l'énergie. Pour résoudre un tel problème il a été conçu un procédé d'usinage laser à régime impulsionnel par déplacement du faisceau laser par rapport à l'échantillon à usiner selon lequel on réalise l'usinage en plusieurs passages pour lesquels le recouvrement des faisceaux est nul de manière à décaler spatialement les impacts de chaque passage.The problem to be solved by the invention is to obtain a better temporal distribution of the energy. In order to solve such a problem, a pulse-rate laser machining method has been devised by displacement of the laser beam with respect to the sample to be machined, according to which machining is carried out in several passages for which the overlap of the beams is zero. to spatially shift the impacts of each passage.

On renvoie à la figure 3 qui montre la répartition temporelle du dépôt d'énergie résultant des caractéristiques de l'invention. Pour réaliser l'usinage en tant que tel lors du premier passage, on réalise un ensemble d'impacts espacés d'une distance déterminée, - on réitère l'opération avec un décalage spatial réduit de sorte que chaque nouvel impact recouvre l'un des impacts du précédent passage, - on répète l'opération autant de fois que nécessaire pour que l'avancée des tirs laser forme l'usinage désiré. L'invention concerne également le dispositif d'usinage pour la mise en oeuvre du procédé. Dans ce but, le dispositif d'usinage par tir laser à régime impulsionnel par déplacement du faisceau laser sur un produit à usiner comprend des moyens aptes à réaliser l'usinage en plusieurs passages pour lesquels le recouvrement du faisceau est nul de manière à décaler spatialement les impacts de chaque passage, lesdits moyens étant constitués par : - un laser impulsionnel assujetti à un système de déclenchement, - un système de synchronisation du système de déclenchement, - un obturateur rapide disposé sur le trajet du faisceau du laser et assujetti au système de synchronisation, - un système de déplacement relatif du faisceau par rapport au produit à usiner, - un système de pilotage programmable pour l'asservissement du système de déplacement et du système de synchronisation, - un système optique de focalisation du faisceau laser sur le produit à usiner.Referring to FIG. 3 which shows the temporal distribution of the energy deposit resulting from the characteristics of the invention. To perform the machining as such during the first pass, a set of impacts spaced apart by a determined distance is carried out, - the operation is repeated with a reduced spatial shift so that each new impact covers one of the impacts of the previous passage, - the operation is repeated as many times as necessary so that the advance of laser shots forms the desired machining. The invention also relates to the machining device for implementing the method. For this purpose, the device for laser firing pulse rate by displacement of the laser beam on a product to be machined comprises means capable of performing the machining in several passes for which the recovery of the beam is zero so as to shift spatially the impacts of each passage, said means being constituted by: - a pulsed laser subject to a triggering system, - a synchronization system of the triggering system, - a fast shutter disposed in the path of the laser beam and subject to the system of synchronization, - a relative displacement system of the beam with respect to the product to be machined, - a programmable control system for servocontrolling the displacement system and the synchronization system, - an optical system for focusing the laser beam on the product to be machined. machined.

L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre les impacts des impulsions laser lors de l'usinage d'une ligne selon l'état de la technique. la figure 2 montre l'élévation de température aux bords de l'usinage selon l'état antérieur de la technique. la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 montrant l'élévation de température aux bords de l'usinage selon l'invention. la figure 4 montre le principe du procédé d'usinage laser selon l'invention. la figure 5 montre l'application du procédé d'usinage laser selon l'invention sur du polycarbonate en comparaison avec un procédé d'usinage laser selon l'état antérieur de la technique. la figure 6 montre un schéma fonctionnel du dispositif laser pour la réalisation d'un usinage. la figure 7 montre les séquences de réalisation de l'usinage. la figure 8 est un schéma de réalisation d'un passage lors de la réalisation de l'usinage. la figure 9 montre le chronogramme des signaux. la figure 10 montre la réalisation de matrices de trous selon le procédé, sans pré-compensation. la figure 11 est une vue semblable à la figure 10, avec pré-compensation.The invention is described below in more detail with reference to the figures of the accompanying drawings, in which: FIG. 1 shows the impacts of the laser pulses during the machining of a line according to the state of the art. Figure 2 shows the temperature rise at the edges of the machining according to the prior art. Figure 3 is a view similar to Figure 2 showing the temperature rise at the edges of the machining according to the invention. FIG. 4 shows the principle of the laser machining method according to the invention. FIG. 5 shows the application of the laser machining method according to the invention to polycarbonate in comparison with a laser machining method according to the prior art. Figure 6 shows a block diagram of the laser device for performing machining. Figure 7 shows the production sequences of the machining. Figure 8 is a diagram of realization of a passage during the realization of machining. Figure 9 shows the timing of the signals. Figure 10 shows the production of hole matrices according to the method, without pre-compensation. Figure 11 is a view similar to Figure 10, with pre-compensation.

Selon l'invention, le procédé d'usinage par tirs laser à régime impulsionnel se caractérise par plusieurs passages pour lesquels le recouvrement des faisceaux est nul. Le fait de décaler spatialement les impacts de chaque passage permet d'obtenir un dépôt d'énergie équivalent aux solutions de l'état antérieur de la technique mais avec une meilleure répartition temporelle du dépôt d'énergie, ce qui laisse plus de temps à la chaleur pour se diffuser entre deux impacts, comme le montre la courbe de la figure 3 à comparer avec la courbe de la figure 2 correspondant à l'état de la technique.According to the invention, the pulsed pulse laser machining method is characterized by several passages for which the beam overlap is zero. The fact of spatially shifting the impacts of each passage makes it possible to obtain a deposit of energy equivalent to the solutions of the prior state of the art but with a better temporal distribution of the energy deposit, which leaves more time for the heat to diffuse between two impacts, as shown in the curve of Figure 3 to compare with the curve of Figure 2 corresponding to the state of the art.

La figure 4 montre le procédé d'usinage à la base des caractéristiques selon l'invention. La flèche F correspond au sens de déplacement relatif du faisceau par rapport à l'échantillon à usiner. Lors du premier passage, on réalise une somme d'impacts (H) espacés d'une distance choisie. Dans l'exemple illustré, les impacts sont jointifs, sans recouvrement. L'opération est ensuite réitérée avec un léger décalage spatial de sorte que chaque nouvel impact (I2) vient recouvrir l'un des précédents (H). La cadence vue localement par le matériau est inférieure à la cadence du laser. La chaleur déposée a eu le temps de s'évacuer vers le reste du matériau et le phénomène d'accumulation est réduit, comme le montre la courbe de la figure 3. L'opération est répétée autant de fois qu'il est nécessaire pour que l'avancée des tirs laser vienne former l'usinage désiré. La figure 4 montre un usinage avec 5 passages d'un ensemble d'impacts (H), (I2), (I3), (I4), (I5). Dans cette figure, les zones foncées correspondent à la série d'impacts qui vient d'être réalisée tandis que les zones claires correspondent aux séries d'impacts précédents et qui ont eu le temps de revenir à l'équilibre thermique. Cette limitation des effets thermiques permet d'obtenir un usinage de meilleure qualité et ce à des puissances bien plus élevées qu'avec le procédé classique. Il en résulte un gain à la fois en temps et en qualité sur la matière usinée aussi bien au fond de l'usinage que sur les bords. On renvoie à la figure 5 qui montre un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sur un échantillon de polycarbonate. La rainure du haut (A) est réalisée suivant le procédé revendiqué. Aucun effet thermique n'est visible sur les bords de cette rainure (A). La rainure (B) est réalisée suivant un procédé d'usinage laser classique et montre une modification structurelle du matériau sur les flancs de l'usinage. A noter que dans les deux cas, la répartition globale de l'énergie déposée est la même.Figure 4 shows the machining process based on the features according to the invention. The arrow F corresponds to the relative direction of movement of the beam relative to the sample to be machined. During the first pass, a sum of impacts (H) spaced apart by a selected distance is made. In the example shown, the impacts are joined, without overlap. The operation is then reiterated with a slight spatial shift so that each new impact (I2) overlaps one of the previous ones (H). The cadence seen locally by the material is lower than the rate of the laser. The deposited heat has had time to evacuate to the rest of the material and the phenomenon of accumulation is reduced, as shown in the curve of Figure 3. The operation is repeated as many times as it is necessary for the advance of the laser shots comes to form the desired machining. Figure 4 shows a machining with 5 passes of a set of impacts (H), (I2), (I3), (I4), (I5). In this figure, the dark areas correspond to the series of impacts that has just been achieved while the light areas correspond to the previous series of impacts and have had time to return to thermal equilibrium. This limitation of the thermal effects makes it possible to obtain a machining of better quality and this at powers much higher than with the conventional method. This results in a gain in both time and quality on the machined material both at the bottom of the machining and on the edges. Referring to Figure 5 which shows an example of implementation of the method according to the invention on a polycarbonate sample. The top groove (A) is made according to the claimed method. No thermal effect is visible on the edges of this groove (A). The groove (B) is made according to a conventional laser machining method and shows a structural modification of the material on the flanks of the machining. Note that in both cases, the overall distribution of deposited energy is the same.

La figure 6 montre un schéma fonctionnel du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Pour l'essentiel ce dispositif comprend : - un laser impulsionnel (1) assujetti à un système de déclenchement (2), - un système de synchronisation (9), - un système de déclenchement (2), - un obturateur rapide (8) disposé sur le trajet du faisceau (3) du laser et assujetti au système de synchronisation (9), - un système (6) de déplacement relatif du faisceau par rapport à l'échantillon (4) à usiner, - un système de pilotage programmable (7) pour l'asservissement du système de déplacement (6) et du système de synchronisation (9), - un système optique (5) de focalisation du faisceau laser sur l'échantillon (4) à usiner.Figure 6 shows a block diagram of the device for carrying out the method. Essentially this device comprises: - a pulsed laser (1) subject to a triggering system (2), - a synchronization system (9), - a triggering system (2), - a fast shutter (8) arranged on the beam path (3) of the laser and subject to the synchronization system (9), - a system (6) relative displacement of the beam relative to the sample (4) to be machined, - a programmable control system (7) for controlling the displacement system (6) and the synchronization system (9), - an optical system (5) for focusing the laser beam on the sample (4) to be machined.

Le système de déclenchement (2) du laser impulsionnel (1) peut être du type électro-optique ou du type acousto optique. Avantageusement, pour assurer la répétabilité des caractéristiques du tir laser, ce dernier fonctionne à cadence fixe. L'obturateur rapide (8), qui est placé sur le trajet du faisceau (3), est piloté par un signal d'ouverture donné par le système de synchronisation (9). Le système de déplacement (6) consiste soit à dévier le faisceau par exemple au moyen de miroirs galvanométriques, soit à déplacer l'échantillon sous le système optique par un système de platines, soit encore à déplacer simultanément le faisceau et l'échantillon. Comme indiqué le système de déplacement (6) est asservi par le système de pilotage (7) qui est programmé de façon à décrire toutes les séquences de l'usinage réalisé notamment les déplacements du système (6) et les séquences de tirs laser.The triggering system (2) of the pulsed laser (1) can be of the electro-optical type or of the acousto-optical type. Advantageously, to ensure the repeatability of the characteristics of the laser shot, the latter operates at a fixed rate. The fast shutter (8), which is placed in the path of the beam (3), is controlled by an opening signal given by the synchronization system (9). The displacement system (6) consists either of deflecting the beam, for example by means of galvanometric mirrors, or of moving the sample under the optical system by a system of plates, or even to move the beam and the sample simultaneously. As indicated, the displacement system (6) is controlled by the control system (7) which is programmed to describe all the sequences of the machining carried out in particular the movements of the system (6) and the laser firing sequences.

Le système de pilotage (7) envoie vers le système de synchronisation (9) un signal (79) qui commande le tir laser en fonction du retour d'asservissement du système de déplacement (6). Ce signal 79 est un signal logique qui vaut 1 lorsque le faisceau doit être envoyé sur l'échantillon (4). le signal valant 0 lorsque l'usinage s'arrête lors d'une discontinuité dans le motif décidé. Lorsque le signal 79 passe à l'état logique 1, le système de synchronisation (9) génère un signal d'horloge 92(.) synchronisé avec le front de montée du signal 79 et l'envoie au système de déclenchement ((C2))(2). Il en résulte que le tir laser est synchronisé sur le système de déplacement (6). Le système de synchronisation (9) génère en même temps un signal 98 qui ouvre l'obturateur rapide (8) pour laisser passer le faisceau. Lorsque le signal 79 passe à l'état logique 0, le signal 92 n'est pas modifié et le système de synchronisation (9) envoie un signal de fermeture de l'obturateur rapide (8).The control system (7) sends to the synchronization system (9) a signal (79) which controls the laser firing as a function of the servo feedback of the displacement system (6). This signal 79 is a logic signal which is 1 when the beam is to be sent on the sample (4). the signal being 0 when the machining stops during a discontinuity in the decided pattern. When the signal 79 goes to the logical state 1, the synchronization system (9) generates a clock signal 92 (.) Synchronized with the rising edge of the signal 79 and sends it to the triggering system ((C2) ) (2). As a result, the laser shot is synchronized to the displacement system (6). The synchronization system (9) at the same time generates a signal 98 which opens the fast shutter (8) to let the beam pass. When the signal 79 goes to logic 0, the signal 92 is not changed and the synchronization system (9) sends a closing signal of the fast shutter (8).

On renvoie aux figures 7, 8 et 9 qui montrent le déroulement d'une séquence d'usinage utilisant le procédé et le chronogramme des signaux 92, 98, 79. La figure 7 montre les séquences de réalisation de l'usinage, la figure 8, le schéma de réalisation d'un passage lors de la réalisation de cet usinage, tandis que la figure 9 montre le chronogramme des signaux. 1. le système de déplacement (6) effectue un déplacement rapide vers le début de la zone d'usinage. Pendant cette séquence, le laser tire mais les impulsions sont bloquées par l'obturateur (8). 2. Lorsque le système de déplacement (6) arrive à la position du point Ao, le signal 79 passe à l'état 1. Le signal 92 est resynchronisé sur le signal 79. L'obturateur (8) s'ouvre et le faisceau est focalisé sur l'échantillon (4). 3. Sur la zone d'usinage, la vitesse est gardée constante pour obtenir l'écart voulu entre deux impacts consécutifs en fonction de la cadence du laser. 4. Lorsque le système de déplacement (6) arrive à la position au point Bo, le signal 79 passe à l'état O. L'obturateur (8) se ferme. Le système de déplacement (6) effectue alors un déplacement rapide vers le point Al, et l'usinage se poursuit ainsi jusqu'au dernier passage. Pour faciliter la compréhension, on a représenté la séquence sur une ligne droite mais il peut s'agir de n'importe quelle courbe continue. Un cas particulier qui découle du procédé selon l'invention, est la réalisation de matrice de trous sur une surface. En méthode classique, on positionne le laser en un(e) point, on effectue les « n» tirs nécessaires à la réalisation du trou, on déplace le faisceau vers le deuxième point, puis on effectue à nouveau les « n » tirs, et ainsi de suite. On comprend donc qu'en chaque point, les impulsions se succèdent à la cadence du laser, ce qui induit des effets thermiques. La présente invention permet de réaliser la matrice en « n » passages, chaque ligne du réseau en un seul passage, c'est-à-dire sans phase d'accélération/décélération entre chaque point en contrôlant la vitesse de déplacement. Afin que les points soient bien usinés à l'endroit désiré, il faut connaître le décalage entre la position voulue du point, et celle obtenue dans la pratique. Ces positions diffèrent à cause des temps de latence de l'électronique, de l'inertie du dispositif de déplacement, et du temps génération de l'impulsion laser. Le procédé revendiqué ici permet donc d'anticiper ce décalage et de pré-compenser le déplacement du dispositif (6). Les figures suivantes montrent ce que l'on obtient en tir synchronisé sans pré-compensation (figure 10) et avec pré-compensation (figure 11). On peut ainsi obtenir des réseaux de points ou d'autres formes avec une grande précision puisque l'on maitrise les écarts de position causés par les temps de latence. Ainsi en chaque point, on limite les effets thermiques car les impulsions sont plus espacées dans le temps et la matière a le temps de revenir à l'équilibre thermique. Les avantages ressortent bien de la descriptionReferring to FIGS. 7, 8 and 9 which show the progress of a machining sequence using the method and timing of the signals 92, 98, 79. FIG. 7 shows the machining realization sequences, FIG. , the diagram of realization of a passage during the realization of this machining, while Figure 9 shows the timing of the signals. 1. the displacement system (6) moves rapidly towards the beginning of the machining area. During this sequence, the laser fires but the pulses are blocked by the shutter (8). 2. When the displacement system (6) arrives at the position of the point Ao, the signal 79 goes to the state 1. The signal 92 is resynchronized on the signal 79. The shutter (8) opens and the beam is focused on the sample (4). 3. On the machining area, the speed is kept constant to obtain the desired distance between two consecutive impacts depending on the rate of the laser. 4. When the displacement system (6) reaches the position at the point Bo, the signal 79 goes to the state O. The shutter (8) closes. The displacement system (6) then moves rapidly towards the point Al, and the machining continues thus until the last passage. For ease of understanding, the sequence is shown in a straight line but it can be any continuous curve. A particular case which follows from the process according to the invention is the production of matrix of holes on a surface. In the classical method, the laser is positioned at one point, the necessary shots are made to make the hole, the beam is moved to the second point, then the "shots" are again performed, and and so on. It is therefore understood that at each point, the pulses succeed one another at the rate of the laser, which induces thermal effects. The present invention makes it possible to produce the matrix in "n" passages, each line of the network in a single pass, that is to say without phase of acceleration / deceleration between each point by controlling the speed of displacement. So that the points are well machined at the desired location, it is necessary to know the offset between the desired position of the point, and that obtained in practice. These positions differ because of the latency of the electronics, the inertia of the displacement device, and the generation time of the laser pulse. The method claimed here therefore makes it possible to anticipate this shift and to pre-compensate the displacement of the device (6). The following figures show what is achieved in synchronized fire without pre-compensation (Figure 10) and with pre-compensation (Figure 11). One can thus obtain networks of points or other forms with great precision since one masters the positional deviations caused by the latency times. Thus at each point, the thermal effects are limited because the pulses are spaced further in time and the material has time to return to thermal equilibrium. The advantages are clear from the description