JP6867328B2 - 機械工具のための熱コンセプト - Google Patents

Description

本発明は、制御ユニットと、レーザアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ：除去、融除）装置と、気体供給部とを有するレーザ加工システムであって、装置の作業チャンバにおける気体の温度を制御するために温度システムが設けられた前記前記レーザ加工システムに関するものである。

レーザビームによって基材又はワークピースを機械加工するためのレーザ加工システムが知られている。さらに、基材又はワークピースの表面、特に切削工具を形成する１つ又は複数の切れ刃に表面を形成するために、レーザ加工装置及びレーザ加工方法が知られている。機械加工のために、短パルスレーザを用いた切削工具レーザアブレーションは、非常に硬い材料、例えば多結晶ダイヤモンド又はＣＶＤダイヤモンドを経済的に機械加工する可能性を提供する。

レーザ加工装置は、ミラーを用いてアブレーションの領域へ向けられる光ビームを生成するレーザ源を含むものとして一般的に記述される。光ビームがアブレーションの平面へ到達する前に、その経路上に挟まれたフォーカスレンズがあり、このフォーカスレンズの役割は、非常に小さな直径のスポットへ非常に高いエネルギー密度を提供する光ビームを集中させることである。アブレーションは、ビームがフォーカスされるスポットにおける材料の昇華によって得られる。アブレーションのプロセスが生じるための本質的な要件は、材料が分解するある点へ温度が急速に上昇するように、十分に短い時間で十分なエネルギーが材料に吸収されることである。全てのアブレーションプロセスは、いわゆるアブレーションデブリである気体状、液体状又は固体状であり得るアブレーション生成物成分の範囲の生成につながる。このアブレーションデブリは、重大な問題である。

方法及び装置は、レーザアブレーションプロセス中に生じるアブレーションデブリを捕捉し、制御する意図で用いられてきた。これら方法及び装置の多くは、アブレーションされる表面の近傍の気体の流れのいくつかのタイプに依拠している。しかし、気体の流れの応用も、処理環境の望ましくない混乱につながり得る。気体状の流れ又は乱流が生じかねず、これは、処理に悪影響を有する。流れは、範囲の一方側での吹込み及び範囲の他方側からの強い吸引によって生成されることができ、基材の他の部分における流体の流れ又はレーザアブレーション装置の他の要素における流体の流れによって、捕捉されたアブレーションデブリの堆積を回避することが重要である。

公知のレーザ加工システムは、内部空間又は筐体における作業範囲、いわゆる作業チャンバを備えており、内部空間は、ハウジングによって画成されることができるとともに、光の伝達を低減する開放可能な遮蔽装置と、内部空間と外部空間の間の他の要素とを含むことができる。ワークピースのこの種の筐体は、処理要求に完全に従う処理を包囲する体積を維持するために適合される必要がある。筐体は、外側から少なくとも１つの実質的に気密かつ光が入り込まない、筐体の内部体積のシール及び／又は筐体の内部の気体のためのシールを含んで、シールされる必要がある。この筐体によって、レーザ加工装置のユーザは、光の伝達及びアブレーションデブリから保護されている。遮蔽装置の開放は、作業チャンバと環境の間での気体及び熱の交換につながり、作業チャンバ内に配置された装置要素の温度の変更が、変形及び精度の問題を引き起し得る。さらに、内部空間では、気体の流れをアブレーションスポットへ向けることが可能であり、気体の流れは、便宜上、機械加工範囲への傾斜した角度へ向けられる。昇華中に形成されるプラズマは、気体の流れを介してレーザの機械加工範囲から除去される。気体供給部はいくつかの気体ノズルを含むことができ、これら気体ノズルのそれぞれの気体ノズルは、異なる方向からレーザビームの照射点の近傍における機械加工範囲へ部分的な流れを向ける。

公知の欠点を制限するために、レーザアブレーション装置は、一般的に、作業範囲へのアクセスを提供するために配置された１つ又は複数のドアと、わずかなくぼみを形成するために設けられた吸引ユニットとを有するエジェクタとも呼ばれる吸引フードと共に用いられることが可能である。吸引フードは、油密、水密、気密及び／又は光が入り込まない作業チャンバを設定するために設けられている。しかしながら、作業チャンバの密性は、良好に制御されない空気の流れにつながるものである。空気は、設けられた排気管を通して存在する乱流を形成するドアのラビリンスを通して作業チャンバ内へ入ることが可能である。空気の乱流は、気体、煙霧及び／又は噴霧が吸引によって影響を受けないとともに作業チャンバ内にとどまるように、作業チャンバにおける範囲を発生させることが可能である。

さらに、アブレーションデブリの排除が解決される必要があるのみならず、温度分布も、機械加工された構成部材の正確さを改善するために重要である。レーザアブレーション装置では、異なる熱源により、位置決め及び時間に関してこの装置にわたって異なる温度分布となる。この異なる温度分布により、熱による変形誤差が生じ、機械精度についての悪影響につながる。長く続く機械加工プロセスは、位置決めされた加熱プロセスにより更に熱を発生させる。ワークピースへ入力される熱量は、バルク（ｂｕｌｋ：大きさ）材料の外部からの加熱を生じさせ、この加熱は、部分ひずみ及び逆の熱影響部を生じさせることが可能である。

制御された温度の空間内へのレーザ加工システム全体の配置は、レーザ加工のための均一な温度を提供するために知られている。さらに、レーザ加工システムの異なる要素の冷却を提供すること、及び異なる要素によって発せられる熱を低減するために小型モータを有する小型機械要素を設けることが知られている。

本発明の課題は、熱的な影響により生じる変形誤差を経済的に最小化するレーザ加工システムを提供することにある。

本発明は、制御ユニットと、レーザアブレーション装置と、気体供給部とを有するレーザ加工システムであって、気体供給部が供給部及び抽出部を含んでいる、前記レーザ加工システムに関するものである。レーザ加工システムは、気体供給部及び温度システムを備えた、少なくとも部分的に閉鎖された作業チャンバを含む基材又はワークピースの表面における範囲をアブレーションするためのレーザを有効とするレーザアブレーション装置を含む。

作業チャンバは、入口及び出口を有する筐体として構成されており、これら入口及び出口を用いて、気体、特に周囲からの空気が、基材からの除去されたデブリを捕捉し、重要範囲を冷却するために、処理されるべき基材及び作業範囲の表面にわたる流れが生じるように、筐体の内部体積において提供される。用いられる流体は、好ましくは空気であるが、いくつかの場合には窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン及び／又はラドンなどであってよい。気体の流れは、アブレーションデブリを捕捉し、それを重要な範囲から離れるように向け、又は好ましくは作業範囲からデブリを完全に除去するために用いられる。

さらに、作業チャンバを外部に開放することによっても空気の流れの妨害が生じず、空気の追加的な交換量が大きく低減されることが有利である。

気体の流れは、ポンプ及び少なくとも１つのノズルを用いて気体を作業チャンバへ入れることによって形成され、気体は、少なくとも１つの良好に規定された空気入口を通して作業チャンバ内へ圧縮され得るか、若しくは気体出口を通して作業チャンバから排気を抽出することによって圧縮され得るか、又はこれら両方が実現される。本発明の好ましい形態によれば、気体の流れは、この気体の流れがアブレーションの範囲にわたって、及び作業チャンバ全体において本質的に層流で流れるように提供される仕方で、気体供給部によって形成される。気体供給部は、気体供給構造部及び気体排出構造部を含んでいる。気体が層流である場合には、アブレーションデブリ除去の効率は、再析なしに向上され得る。

好ましくは、気体の流れを制御するための制御ユニットは、閉鎖された作業チャンバの入口及び／又は出口を通って流れる気体の物理的及び／又は化学的な特性を制御するように構成されており、例えば、制御ユニットは、気体供給部及び／又は温度システムを制御するために構成されている。

従来技術において設けられた空気ジェットを用いた強制対流冷却とレーザ加工システムの異なる部分から、例えば光学要素から熱及びアブレーションデブリの効果的な除去は、光学要素に影響し、この影響による力は、典型的なレーザ加工システムに含まれるミラー及びレンズの位置及び制御に作用することが知られている。したがって、レーザ加工システムの位置及び速度の精度は、強制対流冷却を用いることで低減される。加えて、加熱された空気の乱流を光学ビームを横切らせて用いることで、フォーカスされたスポットの達成可能な最小サイズを増大させ、更にシステムの精度に影響を与える傾向がある光学収差が生じる。

気体の、あらかじめ設定された経路に沿って元の場所から離れるように、捕捉されたデブリ粒子を通過させる能力は、搬送される運動量と、捕捉された粒子のサイズ及び重量とに依存する。気体の流れへの運動量搬送の効率を最適化するための最も好ましい状況は、機械加工されるべきワークピース範囲へ付着する層流境界層の発展である。気体の流れの流体力学的な挙動にとって、気体ジェットの衝突点とレーザビームの間の間隔、気体の圧力、ノズルのタイプ及びノズルの直径の選択がファクタである。

レーザ加工システムにおいて、レーザ及びレーザビーム自体の廃熱の非常に大きな量は、レーザ及び曲げるために用いられる光学要素に蓄積するとともに、出力レーザビームをフォーカスさせ、方向付けることが知られている。レーザ加工システムのための経済的で効果的な冷却システムにとっての必要性が存在する。本発明による装置は、温度について調整されるべき方向付けられた気体の流れのために設けられる温度システムを含んでいる。典型的には、温度システムは、入ってくる気体の流れの温度を調整及び制御することに用いられる、加熱又は冷却のための装置を含んでいる。この装置は、空気及び／又は水が用いられる熱交換器として構成されることができる。例えば、水は、第１の冷却回路において用いられることができ、更にレーザアブレーション装置に含まれる電気装置、光学的な構成部材及び機械的な構成部材を冷却するために用いられることが可能である。作業範囲の熱的な安定性は、入ってくる気体の流れの温度を制御することで大きく向上し、かき乱す空気の流れが作業チャンバにおける空気管理を不安定化させることがない。

さらに、温度システムは、センサ手段を含み、特に、例えば異なる範囲での、及び他の要素の温度、ワークピース及び作業チャンバ内の気体の温度を特定するために配置された温度センサを含んでいる。本発明の好ましい形態によれば、赤外線センサがワークピースの温度を特定するために配置されている。他のセンサ手段は、作業チャンバにおける流体の温度を測定するために配置されている。測定された熱的な値を、入ってくる気体の流れの温度を制御ユニットによって制御するために利用することが可能である。制御ユニットは、例えば熱交換器のセカンダリ側における温度に影響を与える熱交換器のプライマリ側の温度を調整するバルブを操作することで、入ってくる気体の流れの温度をあらかじめ設定された値へ調整するように、熱交換器を制御することが可能である。これによれば、利点のうちの１つは、制御された温度の入ってくる気体の流れを、ワークピース及び機械的な精密部品、電気的な精密部品又は光学的な精密部品のようなレーザアブレーションのシステムに含まれる要素の温度を適合させるために用いられることができる。影響を受けやすい機械的な部品、電気的な部品及び光学的な部品は、気体の流れによってアブレーションデブリから保護されている。

さらに、入ってくる気体の流れは、作業チャンバへ入る前にフィルタ手段を通過する。したがって、熱交換器は、気体、例えば環境からの空気を吸引するための気体入口を含むことができるとともに、環境から作業チャンバへ粒子が入ることを阻止するために気体入口に配置されたフィルタ手段を備えている。

気体の流れは、いかなるサイズのアブレーションデブリの粒子も搬送する。アブレーションデブリが部分的に収集されるようにトレイを配置することが可能である。アブレーションデブリを容易に除去し、清掃することができるようにトレイを配置することが可能である。気体の流れにおいて捕捉された他の粒子は、気体供給部の入口及び／又は出口に配置されたフィルタ手段において吸収されることが可能である。好ましい実施例では、フィルタ手段は、アブレーションデブリを吸収するように適合された気体排出構造部に設けられている。例えば、より大きな粒子を吸収するために、プレフィルタを気体出口に配置することが可能である。吸引ユニットに配置された追加的なフィルタはより小さな粒子を吸収し、吸引ユニットは、ファンユニット及び様々なフィルタを含むことができる。例えば、フィルタのうち１つは、コバルト、ニッケル、クロム、マンガン及び鉄のような有害な粒子を吸収するために設けられることが可能である。

作業チャンバを、例えば板金から成る二重壁として構成された壁部によって画成することが可能である。二重壁の間の隙間は、断熱材料、例えば空気によって満たされることができる。したがって、作業チャンバの内部は、外部から断熱されている。

入口及び／又は出口へ延びるパイプの配置は、共にグループ化されるべき空間を節約するようなものであり得る。さらに、この配置は、熱伝達を避けるようなものであり得る。例えば、吸引ユニットを含む気体供給部は、配管を単純化し、例えば排気の流れによる装置の加熱を避けるためにレーザアブレーション装置の下方に配置されることができ、その際、気体入口を、作業チャンバの頂部に配置することができる。

本発明の例示的な実施例を添付の図面を参照しつつ説明する。

本発明の一実施例によるレーザ加工システムの概略的な図である。 本発明の一実施例によるレーザ加工システムにおいて含まれる熱コンセプトの概略的な図である。 図１に示された実施例によるレーザ加工システムの作業チャンバへ導入される気体の流れの概略的な図である。

図１には、レーザ加工システム１が概略的に示されている。レーザ加工システム１は、レーザビーム１４を生成するとともにリダイレクト装置１８を有するレーザヘッド１６へレーザビームを向けるレーザ１２を有するレーザアブレーション装置１０を含んでいる。リダイレクト装置１８は、レーザビーム１４の向きを基材とも呼ばれるワークピース２２の表面２０へ変更することが可能である。リダイレクト装置１８は、焦点調節光学系２４を含んでいる。基材又はワークピース２２は、筐体を画成する作業チャンバ２８内に配置された収容装置２６内に配置されている。

レーザ加工システム１は、位置決め装置３２を制御する制御ユニット３０も含んでおり、位置決め装置３２によって、レーザヘッド１６とワークピース２２の間の相対位置を調整及び変更することができる。位置決め装置３２の直線軸線及び回転軸線の数を変更してもよい。ワークピース２２及びレーザヘッド１６の線形変位のために、位置決め装置３２は、追加的な調整装置を含むことができる。レーザヘッド１６とワークピース２２の間の調整されるべき相対位置は、制御ユニット３０によって制御される。制御ユニット３０は、ワークピース２２の加工前及び加工中に、加工パラメータを調整又は変更するためのレーザヘッド１６を制御する。

レーザ加工システム１は、気体供給構造部４１と、気体排出構造部又は気体抽出構造部４２とを含み、矢印４４で示された気体の流れを発生させる気体供給部４０を含んでいる。加工されるべきワークピース２２の表面２０の範囲における気体の流れ４４は、ワークピース２２の加工中に、レーザアブレーション中に生成されるアブレーションデブリを材料の昇華（ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ）によって加工位置から除去するために調整されることが可能である。さらに、レーザ加工システム１は、後述する温度システム１１を含んでいる。

レーザアブレーション装置１０では、作業チャンバ２８は、内部空間を形成するハウジング６０によって画成されているとともに、内部空間へアクセス可能とする開放可能なドア６２（図１では不図示）を含むことができる。ハウジング６０は、間に隙間６６を提供する二重壁６４を含んでおり、隙間６６を、作業チャンバ２８の断熱のための空気又は適当な断熱材料で満たすことが可能である。

気体の流れ４４を設定するために、少なくとも１つの入口４６及び少なくとも１つの出口４８は、作業チャンバ２８の環境からの気体が包囲された作業チャンバ２８へ圧縮又は吸引されることができるように設けられている。一実施例においては、作業チャンバ２８は真空チャンバとして設定されており、吸引オフライン（ｓｕｃｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆｆ−ｌｉｎｅ）５０が真空ポンプ５２に接続されているため、制御された真空を作業チャンバ２８内に生成することが可能である。好ましくは、リダイレクト装置１８は、真空チャンバとして構成されているか又はこれに代えて真空チャンバの外部に配置され得る作業チャンバ２８内に配置されている。

図２によれば、レーザ加工システム１の温度システム１１が示されている。好ましくは、圧縮された気体は、少なくとも１つのノズル７０として構成された少なくとも１つの入口４６を介して、作業チャンバ２８のハウジング６０によって画成された内部空間の内側へ噴射される。少なくとも１つのノズル７０は、当該ノズルをアブレーションデブリから保護するために、リダイレクト装置１８の周囲に配置されることが可能である。一般的に、気体は、レーザ加工システム１の周囲から抽出された圧縮された外気であるが、酸素若しくは中性気体又はアブレーションプロセスを促進する適当な気体であってもよい。少なくとも１つのノズル７０は、気体の流れ４４の層流を得るために直径及び位置決めにおいて適切に選択されることが可能である。気体の流れは、作業チャンバ２８に含まれる要素を冷却するとともに、好ましい場合には、アブレーションデブリにより生じる汚染に対してリダイレクト装置１８を保護する。少なくとも１つのノズル７０は慎重に配置されているため、気体の流れ４４の流体力学的な挙動は層流であるように設定されている。気体の流れ４４に影響を与えるファクタは、レーザビーム１４の軸線と気体の流れ４４の間の衝突（ｉｍｐｉｎｇｅ）角度、少なくとも１つのノズル７０とワークピース２２の間の隙間、及び気体の流れ４４の衝突ポイントとワークピース２２の表面２０におけるレーザビーム１４のレーザスポットの間の距離である。これら全てのファクタ及び別のファクタは、層流の気体の流れ４４が加工されるべきワークピース２２の表面２０に沿って少なくとも得られるように調整されることができる。

本発明の好ましい実施例によれば、気体の流れ４４の温度は、熱交換器８０として構成された加熱装置又は冷却装置を用いて適合されている。熱交換器８０の適合された水回路は、レーザ加工システム１の他の部材を冷却するためにも用いられることが可能である。あるいは、他の部材の冷却に用いられるレーザ加工システム１の追加的な熱交換器の空気回路又は水回路を用いることができる。熱交換器８０は、入口４６を通して作業チャンバ２８へ入る前に、気体の流れ４４を適切な温度へもたらすために設けられている。熱交換器８０は、加熱流体の流体管路に接続されたプライマリ側と、入ってくる気体の流れ４４をあらかじめ設定された温度へもたらすために構成されたセカンダリ側とを含んでいる。熱交換器８０へ入る前に圧縮又は吸引された気体は、作業チャンバ２８へ粒子が入らないことを保証するためにフィルタ手段８２を通過する。

レーザ加工システム１の好ましい実施例によれば、制御ユニット３０又は他の制御ユニットは、気体の流れ４４、例えば温度及び流れパラメータを扱うことに適合されている。本発明の一実施例によれば、異なる温度センサ８４，８６が配置されている。これら温度センサのうちの１つ８４、例えば赤外線センサは、ワークピース２２の温度があらかじめ設定され得るように調整されることが可能である。他の温度センサ８６は、包囲された作業チャンバ２８へ圧縮又は吸引されて入ってくる気体の流れ４４の温度を測定するように調整されることが可能である。さらに、他の温度センサ手段を、熱交換器８０のプライマリ側水回路の温度、機械構造及び／又はワークピース２２の温度を測定するために用いることが可能である。測定された温度値を、熱交換器８０を制御するために用いることが可能である。このために、設定された温度値は制御ユニット３０又は他の制御ユニットへ引き渡され、この制御ユニットは、例えば熱交換器８０のプライマリ側の温度を調整するための熱交換器８０のバルブを操作し、熱交換器８０のセカンダリ側の温度、すなわち入ってくる気体の流れ４４の温度を制御するように設定されている。

図３から詳細に見て取れるように、入ってくる気体の流れ４４は、フィルタされ、あらかじめ設定された温度へ加熱／冷却されるとともに、好ましくは層流が得られるように入口４６の手段を介して閉鎖された作業チャンバ２８へ向けられる。気体は、吸引ライン５０を介して作業チャンバ２８から導出又は吸引されることができ、気体の流れ４４におけるアブレーションデブリの捕捉された粒子を排出することが可能である。アブレーションデブリに含まれるより大きな粒子を、ワークピース２２の下方に配置されたトレイ８８に収集することが可能である。気体の流れ４４における捕捉されたアブレーションデブリは、作業チャンバ２８からの通路におけるフィルタ手段９０を通過することで吸収されることが可能である。作業チャンバ２８からの通路は、レーザアブレーション装置１０の前方に立つレーザ加工システム１のユーザが妨害されないように配置されることが可能である。

Claims (13)

1. 制御ユニット（３０）と、レーザアブレーション装置（１０）と、気体供給部（４０）とを有するレーザ加工システム（１）であって、前記レーザアブレーション装置（１０）が、レーザビーム（１４）を生成するためのレーザ（１２）と、該レーザ（１２）のレーザビーム（１４）を加工されるべきワークピース（２２）の表面（２０）へ向けるためのリダイレクト装置（１８）を含むレーザヘッド（１６）とを含んでおり、前記ワークピース（２２）が作業チャンバ（２８）内に配置された収容装置（２６）に配置されており、前記レーザヘッド（１６）と前記ワークピース（２２）の間の相対移動のために位置決め装置（３２）が設けられており、前記作業チャンバ（２８）が、気体のための少なくとも１つの入口（４６）及び少なくとも１つの出口（４８）を含んでいる、前記レーザ加工システムにおいて、
   前記気体供給部（４０）が、前記作業チャンバ（２８）内での気体の流れを供給するように構成されており、前記気体の流れ（４４）の温度を調整するために温度システム（１１）が設けられており、前記温度システム（１１）が、前記気体の流れの温度を調整するための少なくとも１つの装置と、前記ワークピース（２２）の熱的な値及び／又は前記作業チャンバ（２８）における気体の熱的な値を特定するように構成された少なくとも１つの温度センサ（８４，８６）とを含んでおり、これら熱的な値が、入ってくる気体の流れの温度を調整するために前記制御ユニット（３０）によって用いられることを特徴とするレーザ加工システム。
2. 前記気体が周囲からの空気であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工システム（１）。
3. 前記気体供給部（４０）は、入ってくる前記気体の流れ（４４）がポンプ及び少なくとも１つの出口（４８）を用いて前記作業チャンバへ圧縮又は吸引されるように、気体供給構造部（４１）及び気体排出構造部（４２）を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工システム（１）。
4. 前記気体供給部（４０）が前記制御ユニット（３０）によって制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
5. 前記少なくとも１つの装置が熱交換器（８０）として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
6. 前記温度システム（１１）の前記少なくとも１つの温度センサ（８４，８６）が、前記ワークピース（２２）の熱的な値を設定するために構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
7. 前記温度システム（１１）の前記少なくとも１つの温度センサ（８４，８６）が、前記作業チャンバ（２８）における気体の熱的な値を設定するために構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
8. 前記温度センサ（８４，８６）によって設定された温度が、入ってくる前記気体の流れ（４４）の温度をあらかじめ設定された値へ調整するように前記熱交換器（８０）を制御するために前記制御ユニット（３０）によって用いられることを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザ加工システム（１）。
9. 入ってくる前記気体の流れ（４４）が、前記作業チャンバ（２８）へ入る前に、フィルタ手段を通過することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
10. アブレーションデブリが部分的に収集されるようにトレイ（８８）が配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
11. フィルタ手段が、アブレーションデブリを吸収するように適合された前記気体排出構造部（４２）に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
12. 前記作業チャンバ（２８）が二重壁によって限定されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ加工システム（１）。
13. 前記作業チャンバ（２８）の前記二重壁が断熱材料で満たされた隙間を提供することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ加工システム（１）。

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