JP2021511217A - レーザー加工をシミュレートするための方法および該方法を使用するレーザー加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
a)中央ユニットに以下を提供すること、
−以下を含む、加工されるべき材料に関連する情報、
○材料内の加工レーザービームの侵入深度に対するデルタδ
○加工を可能にするレーザービームの最小エネルギー密度に対するしきい値フルエンスFth、
○単一ポイントでのレーザービームのパルス数に対するしきい値フルエンスFthの依存性に関連する、0から1の間のインキュベーション係数S、
○複素屈折率n+ik、
−以下を含む、レーザー加工システムに関する情報、
○加工レーザービームの偏光に関する情報、
○加工レーザービームのパルスエネルギーEp、
○焦点における加工レーザービームの直径w、
○1から20の間の加工レーザービームのガウス次数p、
○加工レーザービームのパルスnのパルス繰り返し率PRR、
○加工レーザービームの波長、
b)以下に基づいて中央ユニットで決定すること、
−加工されるべき材料に関する情報、および
−レーザー加工システムに関する情報、
レーザー加工システムで加工されるべき材料の加工のシミュレーションに対応する2次元および/または3次元の加工プロファイル。
−レーザー加工システムは、材料の加工面に実質的に平行な方向xに移動するレーザー加工ビームを放射することが可能なシステムであり、
−ステップa)は、レーザー加工システムに関する以下の情報、
○加工されるべき材料の表面からのレーザー加工ビームの焦点の距離、
○加工されるべき材料に対するレーザー加工ビームの移動速度(v)、
○加工されるべき材料の表面に対する加工レーザービームの入射角、
○加工されるべきラインの数
○以前に定義されたラインの間の距離、
○加工されるべき各ライン上の加工レーザービームのパスの数
の情報を提供することをさらに含む。
○回転軸のまわりのレーザービームの回転速度ω、
○回転レーザービームがすべての回転レーザー加工ビーム位置用の固定スポットを表現する、加工されるべき材料の表面からの距離BFG、
○回転レーザービームが集束する加工されるべき材料の表面からの距離BFI、
○材料の表面の法線に対する回転レーザービームのすべての位置に対する回転加工レーザービームの入射角β、
○回転加工レーザービームの起動時間、
を提供することをさらに含む。
好ましくは、回転加工ビームの2つの連続するパルスnは、好ましくは半径rpの円に沿って、距離dxだけ離れている。
−加工されるべき材料の表面に実質的に平行な方向を表す軸y、および
−加工されるべき材料の表面に実質的に垂直な方向を表す軸zであり、軸zは材料の表面に対するアブレーション深度znに対応する。
○材料への加工レーザービームの侵入深度に対するデルタδ、
○加工を可能にするレーザービームの最小エネルギー密度に対するしきい値フルエンスFth、
○同じポイントでのレーザービームのパルス数に対するしきい値フルエンスの依存性に関連する、0から1の間のインキュベーション係数S、
○複素屈折率n+ik、
および、その点で、中央ユニットは、材料データベースと通信するための通信手段を備える。
a)以下を含むレーザー加工システムを提供することであって、
−加工されるべき材料、
−以下を備えるレーザー加工システム、
○加工されるべき材料上にレーザー加工ビームを放射するためのレーザー光源、
○レーザー光源からのレーザー加工ビームの放射を制御するための制御ユニット、
−制御ユニットを制御するための中央ユニット、
−データベースと通信するための通信手段、
−中央ユニットからデータベースへの通信のための通信手段、
b)レーザー加工パラメータで構成されたレーザー光源で材料を加工することを含む、方法。
○加工結果を提供するために中央ユニットに接続された加工されるべき材料の状態の分析ユニット、
および、以下の追加ステップが実装されること、
c)ステップd)の後に分析ユニットで加工結果を取得すること、
d)加工結果および加工パラメータを中央ユニットに送信することであって、中央ユニットが、加工されるべき材料に関する情報を決定するように構成される、送信すること、
e)中央ユニットからの加工されるべき材料に関する情報で材料データベースを強化すること、を備える。
中央処理ユニットによって使用されるデータは、以下の特性:目標の結果または達成されるべき結果を表現するデータ、ユーザパラメータ、機械関連特性、既定のテストに対応する命令、加工されるべき材料に関連するパラメータ、データベースに記憶された材料に関連するパラメータ、データベースに記憶され、前の加工中に取得された材料に関連するパラメータ、学習機能を含むアルゴリズム、最適な加工パラメータ、レーザービームを測定するための手段からのデータ、結果を分析するための手段からのデータを有する少なくとも1つのデータタイプを含む。好ましくは、上述されたデータのタイプは注釈が付けられる。
−加工されるべき材料上のレーザービームのスキャン速度、
−レーザー光源によって放射される毎秒のパルス数、
−レーザー光源によって放射される波長、
−加工されるべき材料上のレーザー光源のスポットサイズ、
−レーザー光源によって放射されるパルス当たりのエネルギー、
−工作物上のビームの入射角、
−加工すされるべきパスまたはレイヤの数、
−2つの隣接する継ぎ目間の距離、
−旋光システムの毎分の回転数、
のうちの少なくとも1つを含む。
f)中央ユニットによって加工されるべき材料の識別を可能にする、加工されるべき材料に関する情報を取得することをさらに含む。
g)加工されるべき材料の加工に基づいて加工戦略をさらに決定するをさらに含む。
h)加工されるべき材料に、所定の光ビームパラメータを有する光ビームを照射すること、
i)光学検出ユニットにより、光ビームによる加工されるべき材料の照射によって生成された結果を取得すること、
j)結果を中央ユニットに送信し、加工されるべき材料に光ビームを照射することによって生成された結果にアクセスすること、
k)中央ユニットを用いて、結果から材料に関する少なくとも1つのレーザー加工パラメータを抽出すること、
l)材料に関する少なくとも1つのレーザー加工パラメータをデータベースに記録すること、
をさらに含む。
−工作物上のレーザービームのスキャン速度、
−レーザー光源によって放射される毎秒のパルス数、
−レーザー光源によって放射される波長、
−加工されるべき材料上のレーザー光源のスポットサイズ、
−レーザー光源によって放射されるパルス当たりのエネルギー、
−レーザー光源によって放射されるパルス持続時間、
を含むが、それらに限定されない。
ω=ω0であり、F0は(r=0での)最大フルエンスであり、以下によって計算され与えられる。
ε´´>>ε´であり、式(13)は以下の形式に縮小することができる。
−デブリの再堆積はごくわずかである、
−アブレーション速度は前のパルスとの相互作用の影響を受けない、
−材料の表面上の熱の蓄積、もしくは熱の影響、またはプラズマ吸収は存在しない、
−内部反射は存在しない。
−加工部品のコニシティによる飽和、
−反射率(S、P)、
−インキュベーション、
−熱効果。
−反射率は、それぞれ、S、P、または円偏光について、式(38)、(39)、および(40)のフレネル式に従って、Rs、Rp、または(Rs+Rp)/2として計算される。
−0から1の間になる、結果として得られるRは、入射フルエンスから差し引かれ、以下の式によって与えられる吸収フルエンスを与える。
従来技術とは対照的に、中央ユニットによって実装されるアルゴリズムに含まれるモデルは、ビーム伝搬を考慮に入れる。焦点面距離の関数としてのビーム半径の変化は、
によって与えられ、ここで、z_R、レイリーの距離は以下の通りである。
たとえば、これにより、焦点直径30μmおよび波長1030nmのビーム用の焦点面領域内の以下のビーム分布プロファイルが得られる。この場合、レイリー距離は686.27μmである。
本発明の特定の実施形態の詳細説明
−材料:鋼、
−ω0=12.5μm、
−F=3J/cm2、
−V=50mm/s、
−PRR=200kHz。
以下の、レーザー加工システムによる材料のレーザー加工をシミュレートするための方法であって、
a)中央ユニットであって、
−加工されるべき材料に関する情報:デルタδ、しきい値フルエンス、インキュベーション係数S、複素屈折率n+ik、
−レーザー加工システムに関する情報、
○偏光に関する情報、
○パルスエネルギーEp、
○焦点における加工レーザービームの直径w、
○ガウスからの次数p、
○パルス繰り返し率PRR n、
○波長、
を提供することと、
b)以下に基づく中央ユニットであって、
−加工されるべき材料に関する情報、および
−レーザー加工システムに、
レーザー加工システムで加工されるべき材料の加工のシミュレーションに対応する2次元の加工プロファイル、
を中央ユニットで決定することを含む方法である。
Claims (24)
- 加工レーザービームを放射することが可能なレーザー加工システムによる材料のレーザー加工をシミュレートするための方法であって、
a)中央ユニットに、
−加工されるべき前記材料に関連する情報であって、
○前記材料内の前記加工レーザービームの侵入深度に対するデルタδ、
○加工を可能にする前記レーザービームの最小エネルギー密度に対するしきい値フルエンスFth、
○単一ポイントでの前記レーザービームのパルス数に対する前記しきい値フルエンスFthの依存性に関連する、0〜1の間のインキュベーション係数S、
○複素屈折率n+ik、
を含む、加工されるべき前記材料に関連する情報、
−前記レーザー加工システムに関する情報であって、
○前記加工レーザービームの偏光に関する情報、
○前記加工レーザービームのパルスエネルギーEp、
○焦点における前記加工レーザービームの直径w、
○1〜20の間の前記加工レーザービームのガウス次数p、
○前記加工レーザービームのパルスnのパルス繰り返し率PRR、
○前記加工レーザービームの波長
を含む、前記レーザー加工システムに関する情報
を提供するステップと、
b)前記中央ユニットで決定することであって、
−加工されるべき前記材料に関する前記情報、および、
−前記レーザー加工システムに関する前記情報
に基づいて前記中央ユニットで、
前記レーザー加工システムで加工されるべき前記材料の加工の前記シミュレーションに対応する2次元および/または3次元の加工プロファイル
を決定するステップと、
を含む、方法。 - −前記レーザー加工システムが、前記材料の加工面に実質的に平行な方向xに移動するレーザー加工ビームを放射することが可能なシステムであり、
−前記ステップ(a)が、前記レーザー加工システムに関する以下の情報:
加工されるべき前記材料の前記表面からの前記レーザー加工ビームの前記焦点の距離、
加工されるべき前記材料に対する前記レーザー加工ビームの移動速度(v)、
加工されるべき前記材料の前記表面に対する前記加工レーザービームの入射角、
加工されるべきラインの数、
以前に定義された前記ラインの間の距離、
加工されるべき各ライン上の前記加工レーザービームのパスの数
を提供するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 前記レーザー加工システムが、前記材料の加工面に実質的に垂直な回転軸を中心に回転するレーザー加工ビームを放射することが可能なシステムであり、
前記ステップ(a)が、前記レーザー加工システムに関する情報:
前記レーザー加工ビームの回転速度ω
前記回転レーザービームがすべての回転レーザー加工ビーム位置用の固定スポットを表現する、加工されるべき前記材料の表面からの距離BFG、
前記回転レーザービームが集束する加工されるべき前記材料の表面からの距離BFI、
前記材料の前記表面の法線に対して前記回転レーザービームのすべての位置に対する前記回転加工レーザービームの入射角β、
前記回転加工レーザービームの起動時間
を提供するステップをさらに含む
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 前記加工レーザービームが、回転軸および加工されるべき前記材料の前記表面から前記距離BFGに位置する回転点の周りを回転する加工レーザービームであることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 前記回転加工ビームの2つの連続するパルスnが、好ましくは半径rpの円に沿って、距離dxだけ離れていることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
- 前記加工プロファイルが、
加工されるべき前記材料の前記表面に実質的に平行な方向を表す軸y、および
加工されるべき前記材料の前記表面に実質的に垂直な方向を表す軸zであって、前記軸zが前記材料の前記表面に対するアブレーション深度znに対応する、軸z
に従って2次元で定義されることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。 - デルタδが定数パラメータであることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記中央ユニットが、2次元および/または3次元の前記加工プロファイルの前記決定用のコンピュータプログラムを実行するように構成されることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記コンピュータプログラムを実行するように構成された前記中央ユニットが、非物質化された記憶および計算手段、たとえばクラウド、詳細にはサービスとしてのプラットフォーム、より詳細にはサービスとしてのソフトウェアにアクセス可能であることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 加工されるべき前記材料に関する前記情報が材料データベースから導出され、各材料が以下の情報
デルタδ、
しきい値フルエンスFth、
インキュベーション係数S、
複素屈折率n+ik、
を含み、前記中央ユニットが、前記材料データベースと通信するための通信手段を備える
ことを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。 - 前記中央ユニットが、前記データベースからの加工されるべき前記材料に関する情報に基づいて、かつ前記レーザー加工システムに関する情報に基づいて、2次元の前記加工プロファイルを決定することができるように、シミュレーション手段を備えることを特徴とする、請求項13に記載の方法。
- 前記方法が、
c)レーザー加工システムであって、
加工されるべき前記材料
を含むレーザー加工システムを提供するステップであって、
前記レーザー加工システムが、
加工されるべき前記材料上にレーザー加工ビームを放射するためのレーザー光源、
前記レーザー光源からの前記加工レーザービームの前記放射を制御するための制御ユニット、
を備える、前記レーザー加工システム、
前記制御ユニットを制御するための前記中央ユニット、
前記データベースと通信するための前記通信手段、
前記中央ユニットから前記データベースへの通信用の通信手段
を備える、ステップと、
d)前記レーザー加工パラメータで構成された前記レーザー光源を用いて前記材料を加工するステップと
をさらに含むことを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。 - 前記レーザー加工装置が、
加工結果を提供するために前記中央ユニットに接続された加工されるべき前記材料の状態の分析ユニット
をさらに備え、
以下の
e)前記ステップd)の後に前記分析ユニットで加工結果を取得するステップ、
f)前記加工結果および前記加工パラメータを前記中央ユニットに送信するステップであって、前記中央ユニットが、加工されるべき前記材料に関する情報を決定するように構成される、ステップ、
g)前記中央ユニットから加工されるべき前記材料に関する前記情報で前記材料データベースを強化するステップ
が実施されることを特徴とする、請求項15に記載の方法。 - 請求項15に従属するとき、前記制御ユニットが、前記レーザー光源から加工されるべき前記材料への前記光ビームを制御するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
- h)前記中央ユニットによって加工されるべき前記材料の識別を可能にする、加工されるべき前記材料に関する情報を取得するステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。 - 請求項1から18のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実行するように適合された手段を備える、レーザー加工システム。
- 加工されるべき前記材料に前記レーザービームを向けるための光学ユニットを備えることを特徴とする、請求項19に記載のシステム。
- 加工されるべき前記材料に前記レーザービームを向けるための前記光学ユニットが前記レーザービームの歳差運動を可能にすることを特徴とする、請求項20に記載のシステム。
- 請求項1から18のいずれか一項に記載の方法を実装するためのコンピュータプログラム。
- 請求項19から21のいずれか一項に記載の前記レーザー加工システムに、請求項1から18のいずれか一項に記載の前記方法の前記ステップを実行させる命令を含む、請求項22に記載のコンピュータプログラム。
- 請求項23に記載の前記コンピュータプログラムが記録される、コンピュータ可読媒体。
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