JP7407736B2 - レーザー加工パラメータを決定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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Description
a)使用されるレーザー加工パラメータの関数として取得された加工結果を含む複数の加工データサンプルを含む学習データベースを提供すること、
b)以下を含む中央ユニットを提供すること、
-機械学習手段、
-学習データベースと通信するための手段、
c)中央ユニットのために、加工されるべき材料の求められる加工結果を定義すること、
d)複数の加工データサンプルに基づいて学習することが可能な学習加工機能を中央ユニットに提供することであって、学習加工機能が、求められる加工結果および加工システムのために以下のレーザー加工パラメータを定義することが可能なアルゴリズムを含むことを、提供すること。
-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、
e)複数の加工データサンプルに基づいて学習するために、中央ユニットで学習加工機能を作成することであって、その結果、学習加工機能を学習するときにそれによって決定された加工パラメータをレーザー加工システムに提供することにより、レーザー加工システムが求められる加工結果に従って加工されるべき材料を加工することができる、作成すること。
-材料への加工レーザービームの侵入深度に関連するデルタ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関連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基づくしきい値フルエンス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。
・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。
-レーザー加工システムは、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、その点において、
-ステップd)の学習機能のアルゴリズムは、以下のレーザー加工パラメータをさらに定義することが可能である。
・回転軸のまわりのレーザービームの回転速度、
・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。
-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。
f)以下を含むレーザー加工システムを提供すること。
-加工されるべき材料、
-以下を含むレーザー加工装置。
○加工されるべき材料上に100ps未満の超短レーザー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中央ユニット、
-データベース、
-中央ユニットからデータベースへの通信を可能にする通信手段、
g)ステップe)において学習加工機能によって決定されたレーザー加工パラメータで構成されたレーザー光源を用いて材料を加工すること。
○学習データベースに接続された加工されるべき材料の状態を分析するためのユニット、
および、以下の追加ステップが実装されること。
h)ステップg)の後に分析ユニットで加工結果を取得すること、
i)加工結果およびステップg)での加工に使用された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、使用されたレーザー加工パラメータに従って得られた加工結果を含む加工データペアを通信するように構成される、送信すること、
j)加工データのペアで学習データベースを強化すること。
-学習データベースまたはオンライン測定から得られたデータ、
-学習を可能にするための測定データのオンライン生成用の目標の加工結果または既定の加工結果、
-学習モデルとも呼ばれる学習アルゴリズム、
-その学習を保証するための学習アルゴリズムのパフォーマンスの尺度、またはいずれにせよそのパフォーマンスの維持。
使用されたデータは、以下の特性:目標の結果または要求される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得られるデータ、結果を分析するための手段から得られる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、上述されたデータタイプは注釈が付けられる。
-線形回帰
-k-nn、
-サポート・ベクトル・マシン(SVM)、
-ニューラルネットワーク、
-ランダムフォレスト。
-教師なし学習、教師なし学習では、学習アルゴリズムは、確率変数:x1、x2、x3、x4、・・・の生の観測値のみを受け取り、学習アルゴリズムは、構造的な潜在変数との少なくとも1つの関係:xi→yiを発見するように構成され、ここで、iはゼロでない整数である。
-教師付き学習、教師付き学習では、学習アルゴリズムは、収集されたデータまたは注釈付きの例示的なデータ:(x1、y1)、(x2、y2)、(x3、y3)、・・・を受け取り、学習アルゴリズムは、新しい観測値に基づく学習アルゴリズムの出力で取得されたパラメータを予測するように構成される:x*→y*。
-半教師付き学習、半教師付き学習により、学習アルゴリズムの入力として、いくつかの注釈付きデータおよびそうでないデータを考慮することが可能になる。この方法は、教師付き学習方法と教師なし学習方法の両方を利用することを可能にするので、特に有利である。
-強化学習、強化学習により、学習アルゴリズムが経験/恩恵のサイクルに基づくことが可能になり、学習アルゴリズムの各反復でパフォーマンスが向上する。
-レーザー加工パラメータの変化に従って、加工されるべき材料に関する情報間で取得される差を決定するための手段、
および、決定手段によって決定された差が学習加工機能の改善を可能にするときに、学習加工機能の機械学習が実行されること。
-デルタ、
-しきい値フルエンス、
-最大効率のフルエンス。
-教師付き、
-教師なし。
-回帰、
-分類、
-順位付け。
-クラスタリング、
-次元数の削減、
-推奨システム。
-線形回帰、
-決定木、
-ニューラルネットワーク、
-K-nn、
-サポート・ベクトル・マシン(SVM)、
-ランダムフォレスト。
-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。
k)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。
l)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ことであって、好ましくは、加工戦略が学習加工機能によって決定される、決定すること。
m)既定のレーザー加工パラメータの範囲に従って、学習機能によって定義されたレーザー加工パラメータを有する光ビームを加工されるべき材料に照射すること。
n)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、
o)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、
p)中央ユニットによって結果から、ステップm)で使用されたレーザー加工パラメータの関数として得られた加工結果を含む加工データのペアを抽出すること、
q)加工データのペアを学習データベースに記憶すること。
-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。
ω=ω0である。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。
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、
本発明の特定の実施形態の詳細説明
-材料:鋼、
-w0=12.5μm、
-F=3J/cm2、
-V=50mm/s、
-PRR=200kHz。
とりわけ以下のステップを含む、レーザー加工システムを用いて材料を加工するためのレーザー加工パラメータを決定するための方法。
a)複数の加工データサンプルに基づいて学習することが可能な学習加工機能を中央ユニットに提供することであって、学習加工機能が、求められる加工結果および加工システムのために以下のレーザー加工パラメータを定義することが可能なアルゴリズムを含む、提供すること。
-偏光、
-Epパルスエネルギー
-焦点での直径w
-ガウス次数p
-パルス繰り返し率PRR n、
-波長、
b)レーザー加工システムが、求められる加工結果に従って加工されるべき材料を加工することができるように学習するために、学習加工機能に作成すること。
Claims (20)
- レーザー加工システムで材料を加工するためのレーザー加工パラメータを決定するための方法であって、
a)使用される前記レーザー加工パラメータの関数として取得された加工結果を含む複数の加工データサンプルのペアを含む学習データベースを提供するステップと、
b)
・機械学習手段、
・前記学習データベースと通信するための手段、
を備える中央ユニットを提供するステップと、
c)前記中央ユニットにおいて、加工されるべき材料の求められる加工結果を定義するステップと、
d)前記複数の加工データサンプルに基づいて学習することが可能な学習加工機能を前記中央ユニットに提供するステップであって、前記学習加工機能が、求められる前記加工結果および前記加工システムのために以下のレーザー加工パラメータ:
・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、
を定義することが可能なアルゴリズムを含む、ステップと
e)前記複数の加工データサンプルに基づいて、前記中央ユニットの前記機械学習手段で前記学習加工機能を学習させることであって、その結果、前記学習加工機能によってその学習中に決定された前記加工パラメータを前記レーザー加工システムに提供することにより、前記レーザー加工システムが求められる前記加工結果に従って加工されるべき前記材料を加工することができる、ステップと
を含む、方法。 - 前記学習データベースの前記複数のサンプルが、加工されている前記材料に関する情報を少なくとも部分的に含み、この情報が以下の情報:
前記材料への前記加工レーザービームの侵入深度に関連するデルタ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関連するしきい値フルエンスFth、
同じポイントでの前記レーザービームのパルス数に基づく前記しきい値フルエンス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、
の少なくとも1つを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、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であり、
ステップd)の前記学習機能の前記アルゴリズムが、前記機械学習手段によるその学習の後に、以下のレーザー加工パラメータ:
・加工されるべき前記材料の表面からの前記レーザー加工ビームの焦点の距離、
・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、
をさらに定義することが可能であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 前記レーザー加工システムが、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、
ステップd)の前記学習機能の前記アルゴリズムが、前記機械学習手段によるその学習の後に、以下のレーザー加工パラメータ:
・前記回転軸のまわりの前記レーザービームの回転速度ω、
・回転する前記レーザービームがすべての回転する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、
・回転する前記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回転する前記レーザービームのすべての前記位置に対する回転する前記加工レーザービームの入射角β、
・回転する前記加工レーザービームの起動時間、
をさらに定義することが可能であることを特徴とする、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4に記載の方法。
- 前記アルゴリズムが、以下の式を含む回転する前記加工レーザービームによる前記材料の加工の歳差半径rpに基づく学習ステップを含むことを特徴とする、請求項4または5に記載の方法。
- 前記アルゴリズムが、以下の式:
を含む前記加工レーザービームのパルスに対するアブレーションされたクレータ半径rcに基づく学習ステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 求められる加工結果が、
加工されるべき前記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次元で定義された加工結果の求められるプロファイルであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 回転する前記加工レーザービームの2つの連続するパルスnが、距離dxだけ離れており、前記アルゴリズムが、以下の式:
を含むアブレーション深度znに基づく学習ステップを含むことを特徴とする、請求項2に記載の方法。 - 前記デルタδが定数パラメータであることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 前記方法が、以下の追加ステップ、
f)加工されるべき前記材料、
前記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上に100ps未満の超短レーザー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、
前記中央ユニットから前記データベースへの通信を可能にする通信手段、
を含むレーザー加工システムを提供するステップと、
g)ステップe)において前記学習加工機能によって決定された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に記載の方法。 - 前記レーザー加工システムが、
前記学習データベースに接続された、加工される前記材料の状態を分析するための分析ユニット
をさらに備え、
以下の追加ステップ:
h)前記ステップg)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、
i)前記加工結果および前記ステップg)での加工に使用された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、使用された前記レーザー加工パラメータに従って得られた加工結果を含む加工データペアを通信するように構成される、ステップ、
j)前記加工データペアで前記学習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11に記載の方法。 - 前記中央ユニットは、
レーザー加工パラメータの変化に従って加工される前記材料に関する情報間で得られる差を決定するための決定手段をさらに備え、
前記決定手段によって決定された前記差が前記学習加工機能の改善を可能にするときに、前記学習加工機能の機械学習が、既知のレーザー加工パラメータからの前記レーザー加工パラメータの前記変化に従って加工される材料に対して実行され、特に、前記加工パラメータの前記変化が既定のテストによって示されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。 - 前記学習機能の前記アルゴリズムが、前記学習加工機能の学習を可能にするために、前記学習データベースに供給するためのレーザー加工パラメータを決定することが可能であり、
前記方法が、以下の追加ステップ、
m)既定のレーザー加工パラメータの範囲に従って、前記学習機能によって定義されたレーザー加工パラメータを有する光ビームを加工されるべき前記材料に照射するステップと、
n)光学検出ユニットにより、前記光ビームによる加工されるべき前記材料の照射によって生成された結果を取得するステップと、
o)前記結果を前記中央ユニットに送信し、加工されるべき前記材料に前記光ビームを照射することによって生成された前記結果にアクセスするステップと、
p)前記中央ユニットにより、前記結果から、前記ステップm)で使用された前記レーザー加工パラメータの関数として得られた加工結果を含む加工データのペアを抽出するステップと、
q)加工データの前記ペアを前記学習データベースに記憶するステップと
をさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。 - 請求項1に記載の前記方法の前記ステップを実行することが可能な中央ユニットを備える、レーザー加工装置。
- 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15に記載の装置。
- 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16に記載の装置。
- 請求項1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15に記載の前記レーザー加工装置に、請求項1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18に記載のコンピュータプログラム。
- 請求項19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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