JP2011524812A - 後プロセスでの歪み制御のための前プロセスでのコンポーネントの応力負荷 - Google Patents

Abstract

【課題】 長波長レーザで部品加工することによって引き起こされる微視的な歪みの蓄積による縦糸模様を抑える装置とプロセス技術を提供する。
【解決手段】 プロセスと装置は、長波長レーザによる部品の加工によって引き起こされた微視的な歪みの増大に起因する縦糸模様を抑制する。加工される部品は、部品のその他の形体を降伏させることなく、部品を保持する固定具を使った機械加工起因のゆがみ応力の反対方向に応力が予め与えられる。固定具の中の、予め応力をかけられた位置に保持された状態で、部品が機械加工される。

Description

関連出願のクロスリファレンス
本出願は、２００８年６月１８日出願の米国特許仮出願６１／０７３６４４に対する優先権を主張するものであり、本願の援用文献である。

本発明は、長波長レーザで部品加工することによって引き起こされる微視的な歪みの蓄積による縦糸模様を抑える装置とプロセス技術に関する。

長波長レーザによってコンポーネントを加工する場合、そのほとんどの加工プロセスでは熱を伴う。この熱的材料除去プロセスは、加工部分に熱影響領域と溶融領域を生じさせる。切断プロセス時に、溶融領域は拡大して液状になる。また、熱影響部も拡大して、金属が局所的に焼きなまされる（ａｎｎｅａｌｅｄ）温度まで上昇する。レーザによって金属部を機械加工した直後に、熱影響部と溶融領域は冷めて、体積が縮退する。冷却勾配は一定ではない（即ち、熱影響部は溶融領域よりも早く周囲温度まで冷める）ので、加工部分をそらす小歪み領域が局所的に生ずる。その部分をさらに機械加工すると、歪み領域の歪み同士が歪み（ｓｔｒａｉｎ）をさらに増大させ、一般にゆがみ（ｗａｒｐ）として知られている大きな歪み（ｌａｒｇｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を引き起こす。

長波長レーザを使って、加工部分に発生する微視的な歪みの増大によって引き起こされる縦糸模様（ｗａｒｐ ｅｆｆｅｃｔ）を抑制する技術を含む本発明の実施形態では、上述の機械加工部品の大きなゆがみについて説明する。

ゆがみ（ｗａｒｐｉｎｇ）現象は繰り返し性が高い。一旦、このことを金属部品の特徴としてとらえれば、ゆがみの反対方向に予め応力をかける技術を開発することは、部品の他の形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を降伏させる（ｙｉｅｌｄ）ことなく部品を適切に固定できる限り比較的簡単なことである。特に、部品の他の形体を降伏させることなく部品を固定する固定具のおかげで、機械加工される部分には、ゆがみ応力の反対方向の応力が予め与えられる。その後、その部品は、固定具で固定された状態で機械加工される。

部品が高応力集中を起こすものである場合は、高応力領域が降伏しないようにその領域を補強することが可能である。特に、形体にぴったりと合う差込み部を形体（ｆｅａｔｕｒｅｓ）に差し込むことによって、形体を固定して、形体の降伏を防止することができる。それに置き換わるものとして、伸長可能な差込み部を形体に差し込み、ぴったりと合うまで伸長させてもよい。

特定の実施形態によれば、部品は、アルミニウム等の金属平板を備えていてもよい。

本願では、これらの実施形態とその他の記載事項の詳細とその変形について説明する。

本願の説明では添付の図面を参照するが、複数の図面に渡って、同じ参照番号は同じ部品であることを示す。

図１は、長波長レーザで部品を機械加工する装置を示す図である。 長波長レーザで機械加工されたアルミニウム・サンプルの平面図である。 試験のために切断され取り付けられた図２Ａのアルミニウム・サンプルの第１の部分の平面図である。 試験のために切断され取り付けられた図２Ａのアルミニウム・サンプルの第２の部分の平面図である。 トップダウンの視点から見た第１の部分を１００倍に拡大した光学画像を示す図である。 は、トップダウンの視点から見た第１の部分を２００倍に拡大した明視野の光学画像を示す図である。 第２の部分を５０倍に拡大した明視野の光学画像を示す図である。 第２の部分を２００倍に拡大した明視野の光学画像を示す図である。 トップダウンの視点から見た第１の部分を６００倍に拡大したＳＥＭ顕微鏡写真を示す図である。 トップダウンの視点から見た第１の部分を６００倍に拡大したＳＥＭ顕微鏡写真を示す図である。 その上に一連の凹型ゆがみプロファイルの一般的な部品を単純化して描写した透視図である。 その上に一連の凸型予応力プロファイルの一般的な部品を単純化して描写した透視図である。 応力集中の幾何学的様相と、固定用差込み部を含む補強部分を有する一般的な部品を単純化して描写した透視図である。 伸長可能な差込み部を含む別の補強部分の透視図である。 図６の伸長可能な差込み部の断面図である。

図１は、加工部分１２に適したビーム１５を生成する長波長レーザ１４によって、部品１２を機械加工する装置１０の関連部分を示す。本願で説明することであるが、本発明の実施形態の装置１０とそれに関連する方法の最も大きな目的は、長波長レーザ１４によって部品１２を加工することによって発生する微視的な歪みの増大に起因する縦糸模様を抑制することである。

部品１２は、平板の態様であるか、又は、平板の態様を備えていてもよく、長波長レーザ１４を、部品１２に１つ以上の開口１８を設けるために使ってもよい。開口１８が部品１２によって規定された面に対して実質的に垂直に延びるように、開口１８は、部品１２の上面から下面まで延びる。

装置１０は、長波長レーザ１４に関する所定の位置とプロファイルの部品１２を固定する固定具１６を備え、部品１２の中に、又は、部品１２を貫くように１つ以上の形体を切断するために長波長レーザ１４が使われる。固定具１６は、ベース部１７と圧力板１９を備えており、それらはそれぞれ、部品１２の反対側端で部品１２の上面と下面を噛み合わせるために適している。即ち、部品１２の各端は、圧力板１９のうちの１つとベース部１７の間に取り込まれる。この一例においては、部分１２が、図３と図４に示されるように実質的に長方形であり、圧力板１９は、部品１２の反対端の長さ方向に延びている。１つ以上の締め具２１が、部品１２に関するベース部１７と圧力板１９を固定するために利用される。また、固定具１６は、ベース部分１７よりも上方に延び、部品１２とかみ合う１本以上の指２３を備える。以下で説明するが、部品１２は、所定のプロファイルの部品１２の下面と、指２３がかみ合うことによって固定される。

一般的に、ベース１７とレーザ１４は、任意の数のレーザ超微細加工システムに組み込まれる。例えば、ベース１７は、レーザ超微細加工システムのベースに固定されるが、外すこともできる。また、一般的に、レーザ１４は、ベース１７に関する運動を可能にするガントリー・システムによって支持される。また、ベース１７も、レーザ１４に関する運動が可能になるように取り付け可能である。適切なレーザ超微細加工システムは、オレゴン州ポートランドのエレクトロ・サイエンティフィック・インダストリーズ社から製品番号５３３０、５５３０、５６５０、５８００として販売されており、入手可能である。

「長波長レーザ」という用語は、例えば、赤外線波長レーザを備えているものとして定義されている。一例であって限定するものではないが、長波長レーザは、約７５０ナノメーター（ｎｍ）より長い波長をもつことができ、約９００ナノメーター（ｎｍ）と約８００マイクロメートル（μｍ）の間の波長であることが好ましい。特定の実施形態においては、約９００ナノメーター（ｎｍ）と約９０００ナノメーター（ｎｍ）の間の波長が望ましい。また、約１０００ナノメーター（ｎｍ）と約１１００ナノメーター（ｎｍ）の間の波長を使うことが最も好ましいが、これは必ずしも必要ではない。さらに、長波長レーザを使った金属部品加工に関する情報と、特に、一般的に長波長レーザを使って金属素材のビアを切断形成することに関する情報については、米国特許出願２００７／０２９１４９６から得ることができる。尚、その米国特許出願の全体が本願の援用文献である。

材料の平板に関して使われる際の「薄（ｔｈｉｎ）」という語は、厚さが１０００ミクロン（μｍ）未満である膜として定義され、１００ミクロン（μｍ）と１０００ミクロン（μｍ）の間の厚さであることが好ましい。材料の板に関して使われる語の「平（ｆｌａｔ）」は、限定するものとして考えられていない。材料の板は、完成品、又は、部品のために所望の輪郭を有することができる。本発明のプロセスと装置を使って関連する高応力集中特性を有する形体が降伏することなく、輪郭をもつ製品又は部品が、レーザ加工起因のゆがみを相殺するための、応力が予め与えられる反ゆがみ方向に十分に曲げることができるものである限り、それは本発明の範囲内にあると考えられる。
［００３１］ 一例であって限定するものではないが、薄平板に関して使われる用語「材料」は、均質の金属材料として定義され、特に、アルミニウム原料であることが好ましい。しかしながら、レーザ加工起因のひずみが起こりやすいその他の材料は、アルミニウムと，複合金属材料と、繊維フィラーを含む樹脂素材と、ガラス繊維フィラーを含む樹脂素材と、複合樹脂と、金属素材と、複合樹脂と、繊維フィラーと、金属素材と、それらの任意の組合せに加えて、その他の均質な金属素材から選ばれた材料を含む本発明を使って、加工できると予想される。

ここで、縦糸模様の形成について、図２Ａ−図２Ｉを参照して説明する。長波長レーザ１４を使って、部品１２の典型的な一例であるアルミニウム・サンプル２２を加工して形成された複数の穴２０を示す。長波長レーザ１４によってアルミニウム・サンプル２２を加工すると、各穴２０の周囲に、局所的な熱影響部２４と溶融領域２６が形成される。切断プロセス中に、溶融領域２６は拡大して、液状になる。また、熱影響部２４は拡大して、温度が上昇し、アルミニウム・サンプル２２の金属が局所的に焼きなまされる。長波長レーザ１４によってアルミニウム・サンプル２２を加工して穴２０を形成した直後に、熱影響部２４と溶融領域２６は冷めて、体積が縮む。

長波長レーザ１４による加工後に、穴に隣接する材料の冷却勾配は一定ではない。これは、溶融領域２６よりも早く周囲温度まで冷却するからである。このことによって、その部分を局所的にそらす小歪み領域２８が形成される。一つの歪み領域２８によって引き起こされる歪みは、本来、軽微なものである。しかしながら、その部品をさらに機械加工すると、歪み領域２８によって引き起こされる局所的な複数の歪みが互いに増大されて、一般的に縦糸模様と呼ばれる大きなマクロレベルの歪みが発生する。

図２Ａは、レーザ・カット、又は、長波長レーザ１４による加工後のアルミニウム・サンプル２２の平面図である。第１の部分３０と第２の部分３２を標本として用意することによって、アルミニウム・サンプル２２の光学的撮像とＳＥＭ（走査電子顕微鏡）撮像の準備がなされた。

アルミニウム・サンプル２２を切断して、完全に無傷の穴２０の並びを含む実質的に長方形の標本を作り、図２Ｂに示す標本を取り付けることによって、第１の部分３０の撮像準備がなされた。従って、第１の部分３０は、トップダウン、又は、ボトム・アップの観点から検査に適している。

細長い標本を作るためにアルミニウム・サンプル２２を切り、図２Ｃに示す標本を取り付けることによって、第２の部分３２の撮像準備がなされた。これによって、その細長の側３４に沿って、長さ方向の複数の穴２０が二分される。従って、３２の第２の部分は、穴２０の断面特性の検査に適している。

トップダウンで見た第１の部分３０の１００倍の光学像を、図２Ｄに示す。トップダウンで見た第１の部分３０の２００倍の明視野の光学像を、図２Ｅに示す。第２の部分３２の５０倍の明視野の光学像を、図２Ｆに示す。第２の部分３２の５００倍の明視野の光学像を、図２Ｇに示す。図２Ｄ−図２Ｇでは、熱影響部２４と溶融領域２６を識別することができる。また、暗視野の光学像も、これらの領域を示す。

図２Ｈのトップダウンで見た第１の部分３０の６００倍のＳＥＭ画像は、熱領域２４と溶融領域２６示す。図２Ｉは、アルミニウム・マトリクスの沈殿３６を示す第１の部分３０の６００倍のＳＥＭ画像である。

穴空け後に行ったアルミニウムサンプル２２のサンプリング位置でのマイクロ硬度テストによれば、材料の熱影響領域２４と溶融領域２６の硬度が、基材の硬度より低かった。

一例として本発明の実施形態について記述しているが、これは限定するものではない。図１と図３−図５を見ると最もよくわかることであるが、部品１２は、周囲のほとんどの領域に縁４２があって多数の形体が加工形成されている材料の薄平板４０である。特に、縁４２に加工形成された形体４４に隣接する部品１２の領域に高応力集中が発生する。例えば、形体４４は、縁４２に沿って配置された複数の正方形又は長方形の開口の並びを備えていてもよい。

長波長レーザ１４で部品１２を加工する場合、図３から最もよくわかることであるが、上述した縦糸模様は、実質的に凹型ゆがみプロファイル５０に基づいて部品１２を曲げる傾向がある。ここでは、参考のために、凹型ゆがみプロファイル５０を部品１２の近傍に描いている。部品１２に予め応力をかけることなく、長波長レーザ１４を使って部品１２を加工し、次に、その結果である部品１２の凹型ゆがみプロファイル５０を直接測定することによって、凹型プロファイル５０を経験的に作ってもよい。無論、その他の既知の方法を使って、凹型ゆがみプロファイル５０のパラメータを定めてもよい。

凹型プロファイル５０で表わされる縦糸模様を抑制するために、固定具１６は、凹型プロファイル５０に基づく方向と絶対値の応力を部品１２に予めかけるように構成されている。特に、図４を見ると最もよくわかるが、固定具１６の直立する指２３と部品１２を噛み合わせることによって（図１）、部品１２を曲げて凸型予応力プロファイル５２に合うように固定具１６が構成される。凸型予応力プロファイル５２は、凹型ゆがみプロファイル５０の方向とは反対であるが、絶対値はほぼ同じである。部品１２は、凸型予応力プロファイル５２の状態で固定されている間に、加工される。部品１２が固定具１６から外される場合、長波長レーザ１４による加工中に発生する応力は、固定具１６から予め与えられている応力を打ち消して、部品１６が、名目上歪みなしのプロファイルを得るため、縦糸模様が抑圧される。

図１に示される部品１２の一例では、２本の指２３が、部品１２の中央部分から等距離の間隔で配置される。その他の２本の指２３が、部品１２の長さ方向に部品１２の中央部分から同様の間隔を置いて配置される。異なるサイズと形の部品では、所望の凸型予応力プロファイル５２に基づく、異なる数、および／又は、異なる形状の指２３を使ってもよい。

部品１２が凸型予応力プロファイル５２になるように固定具１６によって曲げられた場合、部品１２に応力が発生する。場合によっては、この応力が材料の降伏強度を超えることがある。尚、その材料から部品１２が構築されている所は、例えば、形体４４の高応力集中を引き起こす傾向がある部品１２の領域である。形体４４が降伏しないように、図５に示されるような補強部分６０を固定具１６上に備えてもよい。

形体４４の降伏を防ぐために、固定具１６の補強部分６０には、１つ以上の差込み部６２が含まれ、固定具１６と、直接か又は間接的に関連づけられる。差込み部６２は、形体４４の高応力幾何構造に非常に正確に適合する。差込み部６２は形体４４内に配置され、形体４４に関する差込み部６２が正確な適合することによって、形体４４の近傍の部品１２内に再配置される固定具１６によって部品１２内に応力が誘発されるため、形体４４によって引き起こされる応力集中の絶対値を減少させることができる。このように、差込み工具６２は、形体４４を固定して、形体４４が降伏しないようにする。

差込み部６２は、固定具１６の補強部分６０に配置されて、固定具１６と直接あるいは間接的に関連するものとして説明したが、差込み部６２を備えるということが唯一の方法でないことを理解していだだきたい。むしろ、差込み部６２が形体４４を固定して、形体４４が降伏しないようにするのに適切な態様で提供されてもよい。従って、これは、形体４４に関連して、適切な態様で差込み部６２がアセンブルされるには十分である。

また、補強形体４４に対して要求される正確な適合性を確実なものにする、および／又は、改善するために、固定具１６の補強部分６０´に１つ以上の伸長可能な差込み部７２を備えていてもよい。図６と図７に示されているように、また、図５の差込み部６２と同様に、伸長可能な差込み部７２は、形体４４の高応力幾何構造に非常に正確に適合するように意図されたものであって、応力集中を低減させるために形体４４内に入れられるので、形体４４を固定して、形体４４が降伏しないようにすることができる。しかしながら、一定のサイズの差込み部６２とは対照的に、伸長可能な差込み部７２は、それが伸長可能で形体４４と非常に正確に適合できるように、そのサイズのわずかな変動を考慮に入れたものである。この調整能力によって、部品１２の製造のバラツキがあるにもかかわらず、伸長可能な差込み部７２は、形体４４と正確に適合するので、設計上の大きな許容範囲を考慮することができる。

伸長可能な差込み部７２を伸長して調節するために、各伸長可能な差込み部７２は、拡張スロット７４を有する先細りする６面体であってもよい。拡張スロット７４は、拡張可能な差込み部７２の前面８０に延びるだけでなく、頂面７６から、拡張可能な差込み部７２の底面７８へ延びる。ねじ切リ穴８２が拡張スロット７４内に形成され、前面８０から、伸長可能な差込み部７２へ延びる。ねじ切リ先細り部分８４が、ねじ切リ穴８２内に形成され、取り付けねじ８６をねじ切リ穴８２の先細り部分８４に進めることによって、拡張スロット８２が延びることになり、これによって、第１の側面８８と、伸長可能な差込み部７２の反対の側面９０が互いに離れることになり、形体４４の壁と接触する。

伸長可能な差込み部７２に対して大幅に伸長させるために、第１の短縮スロット９２と第２の短縮スロット９４を、伸長可能な差込み部７２上に備え、拡張スロット７４に対して実質的に垂直方向に向けてもよい。第１の短縮スロット９２は、第１の側面８８だけでなく、頂面７６から底面７８まで延びる。第２の短縮スロット９４は、第２の側面９０だけでなく、頂面７６から底面７８まで延びる。このように、取り付けねじ８６の前進に応じて拡張スロット７４が拡張して、短縮スロット９２、９４を短縮するように、第１の短縮スロット９２と第２の短縮スロット９４が構築される。従って、固定具１６の補強部分６０´に望まれない変形が生じないように、第１の短縮スロット９２と第２の短縮スロット９４によって拡張スロット７４が拡張される。

機械加工される部品は、所望の形態のものでよく、材料の薄平板に限定される必要がないことを理解していただきたい。高応力集中形体は、所望の形態のものでよく、図示された態様に限定される必要がないことを理解していただきたい。

本発明は、特定の実施形態に関連して記述されているが、本発明は、開示された実施形態に限定されず、反対に、添付の請求の範囲内での様々な修正と等価な構成を受容するものであって、この請求の範囲は、法の下で許容される全ての修正と等価な構造を包含するような最も広い解釈がなされるべきものであることを理解していただきたい。

Claims (18)

1. 長波長レーザを使って、部品を加工するプロセスであって、その改良は、
   長波長レーザを使って部品を加工することによって引き起こされる微視的な歪みの増加に起因する縦糸模様を抑制する
   ことを備えることを特徴とするプロセス。
2. 前記抑制する工程は、前記部品の他の形体を降伏させることなく、前記部品を固定する固定具を使った機械加工に起因するゆがみ応力の反対方向に、機械加工される前記部品に予め応力を与え；および
   前記部品に対して機械加工によるゆがみ応力の反対方向に応力を与えるために、前記部品が前記固定具に固定されている状態で、前記部品を機械加工する
   ことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
3. 前記機械加工の工程で前記形体の降伏を防止するために、高応力集中を引き起こす形体を補強することを、さらに備える
   ことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
4. 前記形体を抑制し、前記形体の降伏を防止するために、前記形体に高応力集中を引き起こす形体と正確に適合する差込み部を配置することを、さらに備える
   ことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
5. 高応力集中を引き起こす形体に、伸長可能な差込み部を配置すること；および
   前記伸長可能な差込み部が前記形体を抑制し、前記形体が降伏しないようにする形体と正確に適合するまで前記伸長可能な差込み部を伸長させることを、さらに備える
   ことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
6. 前記部品は、アルミニウムの薄平板を含むことを特徴とする請求項２に記載のプロセス。
7. 長波長レーザを使って部品を加工するプロセスであって、
   長波長レーザによって部品を加工することによって引き起こされる微視的な歪みの増大に起因するゆがみ応力プロファイルを決定すること；
   前記ゆがみ応力プロファイルと逆の方向を有する予応力プロファイルで、機械加工される部品に予め応力を与えること；および
   微視的な歪みの増大に起因する縦糸模様が抑制されるように、前記予応力プロファイルで前記部品を保持した状態で、長波長レーザによって前記部品を加工することを備える
   ことを特徴とするプロセス。
8. 前記部品に予め応力を与えることは、
   前記部品の他の形体を降伏させることなく、前記予応力プロファイルで固定具に前記部品を保持することを備え、
   前記部品を加工することは、前記固定具に前記部品を保持している状態で行なわれる
   ことを特徴とする請求項７に記載のプロセス。
9. 前記形体の降伏を防止するために、高応力集中を引き起こす部品の形体を強化することをさらに備える
   ことを特徴とする請求項７に記載のプロセス。
10. 前記部品の他の形体を降伏させることなく、前記形体を抑制し、前記形体の降伏を防止するために、前記部品に高応力集中を引き起こす形体内に正確に適合する差込み部を配置することをさらに備える
    ことを特徴とする請求項７に記載のプロセス。
11. 高応力集中を引き起こす部品の形体に拡張可能な差込み部を配置することと、前記形体を固定して、前記形体の降伏を防止するために、前記伸長可能な差込み部が前記形体と正確に適合するまで、前記伸長可能な差込み部を伸長させることをさらに備える
    ことを特徴とする請求項７に記載のプロセス。
12. 長波長レーザを使って部品を加工する装置であって、
    長波長レーザによって部品を加工することによって引き起こされる微視的な歪みの増大に起因する縦糸模様を抑制するように構成された固定具を備える
    ことを特徴とする装置。
13. 前記固定具は、前記部品に対して、機械加工によるゆがみ応力と逆方向に予め応力を与える
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記固定具は、前記部品の他の形体を降伏させることなく前記部品を保持する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
15. 前記部品は、高応力集中を引き起こす形体を備え、
    前記固定具は、
    前記形体の降伏を防止するために前記形体を補強する補強部分をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 前記形体を固定し、前記形体の降伏を防止する部品の形体に正確に適合する、少なくとも１つの差込み部を、前記補強部分は備える
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記補強部分は、少なくとも１つの伸長可能な差込み部を備え、
    前記差込み部は、前記形体に配置され、前記形体を固定して前記形体の降伏を防止するために、前記形体と正確に適合するまで伸長するように構成される
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
18. 前記部品は、アルミニウムの薄平板を備える
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。