KR102156181B1 - 레이저-전송 툴링 - Google Patents

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KR102156181B1
KR102156181B1 KR1020197004549A KR20197004549A KR102156181B1 KR 102156181 B1 KR102156181 B1 KR 102156181B1 KR 1020197004549 A KR1020197004549 A KR 1020197004549A KR 20197004549 A KR20197004549 A KR 20197004549A KR 102156181 B1 KR102156181 B1 KR 102156181B1
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디팍 브이엠 라빈드라
사이 쿠마르 코데
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마이크로-램, 인코포레이티드
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Abstract

레이저-전송 기계가공 툴(10)이 개시된다. 레이저-전송 기계가공 툴(10)은, 입구면(12), 레이크면(14), 레이크면(14)에 연결되는 플랭크면(16), 입구면(12)과 레이크면(14) 사이에서 연장되는 레이크 측면(18), 및 입구면(12)과 플랭크면(16) 사이에서 연장되는 플랭크 측면(20)을 포함하는 복수의 면들을 갖는다. 플랭크면(16)에의 레이크면(14)의 연결부는 절삭 날(22)을 규정한다. 레이크면(14)은 레이크 각도(θ14)를 규정하도록 레이크 측면(18)으로부터 멀리 연장된다. 입구면(12)은 레이저 빔(L)을 수신하고 레이저 빔(L)을 레이크면(14), 플랭크면(16), 및 절삭 날(22)로 굴절시켜서, 레이저 빔(L)이 적어도 레이크면(14)에 근접하게 연장되는 압축 영역(WC) 및 플랭크면(16)에 근접하게 연장되는 인장 영역(WT)에서의 피가공물(W)로 굴절되게 하고 피가공물(W)을 가열하게 하도록 구성된다. 피가공물(W)을 기계가공하기 위한 시스템이 개시된다. 피가공물(W)을 기계가공하는 방법이 또한 개시된다.

Description

레이저-전송 툴링
[0001] 본 개시내용은 레이저-전송 기계가공 툴(laser-transmitting machining tool), 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 시스템, 및 피가공물(workpiece)을 기계가공하기 위한 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 시스템을 이용하는 방법론에 관한 것이다.
[0002] 이 섹션은 반드시 종래 기술인 것은 아닌 본 개시내용과 관련된 배경 정보를 제공한다.
[0003] 레이저-보조 기계가공 툴들이 알려져 있다. 기존의 레이저-보조 기계가공 툴들은 이들의 의도된 목적을 위해 적절하게 수행하지만, 레이저-보조 기계가공 툴들에 대한 개선들이 본 기술분야들을 진보시키기 위해 끊임없이 추구되고 있다.
[0004] 본 개시내용은, 피가공물을 기계가공하기 위한, 레이크면(rake face), 플랭크면(flank face) 및 절삭 날(cutting edge)을 포함하는 레이저-전송 기계가공 툴을 제공한다. 레이저-전송 기계가공 툴은 레이저 빔을 수신하고 레이저 빔을 레이크면, 플랭크면 및 절삭 날로 굴절시켜서, 레이저 빔이 적어도 레이크면에 근접하게 연장되는 압축 영역 및 플랭크면에 근접하게 연장되는 인장 영역(tensile region)에서의 피가공물로 굴절되게 하고 피가공물을 가열하게 하도록 구성된다. 레이크면은 레이크 각도를 규정하도록 레이저-전송 기계가공 툴의 레이크 측면(rake side face)으로부터 멀리 연장된다. 레이크 각도는 다음의 레이크 각도들 중 하나를 규정하도록 크기가 정해지고(sizing), 다음의 레이크 각도들은: 네거티브 레이크 각도, 제로(zero) 레이크 각도 및 포지티브 레이크 각도를 포함한다. 네거티브 레이크 각도는 고도 네거티브 레이크 각도(highly negative rake angle), 중간범위 네거티브 레이크 각도 및 저범위 네거티브 레이크 각도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
고도 네거티브 레이크 각도는 피가공물의 압축 영역이 제 1 압축을 갖는 최고 압축 영역(highest compression region)이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 제 1 인장을 갖는 최저 인장 영역이 되게 한다.
중간범위 네거티브 레이크 각도는 피가공물의 압축 영역이 상기 제 1 압축보다 작은 제 2 압축을 갖는 고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 상기 제 1 인장보다 큰 제 2 인장을 갖는 저 인장 영역이 되게 한다.
저범위 네거티브 레이크 각도는 피가공물의 압축 영역이 상기 제 2 압축보다 작은 제 3 압축을 갖는 중간 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 상기 제 2 인장보다 큰 제 3 인장을 갖는 중간 인장 영역이 되게 한다.
제로 레이크 각도는 피가공물의 압축 영역이 상기 제 3 압축보다 작은 제 4 압축을 갖는 저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 상기 제 3 인장보다 큰 제 4 인장을 갖는 고 인장 영역이 되게 한다.
포지티브 레이크 각도는 피가공물의 압축 영역이 상기 제 4 압축보다 작은 제 5 압축을 갖는 최저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 상기 제 4 인장보다 큰 제 5 인장을 갖는 최고 인장 영역이 되게 한다.
[0005] 본 개시내용의 일 양태는 피가공물을 기계가공하기 위한 레이저-전송 기계가공 툴을 제공한다. 레이저-전송 기계가공 툴은, 입구면(entrance face), 레이크면, 레이크면에 연결되는 플랭크면, 입구면과 레이크면 사이에서 연장되는 레이크 측면, 및 입구면과 플랭크면 사이에서 연장되는 플랭크 측면을 갖는 재료의 본체(body)를 포함한다. 플랭크면에의 레이크면의 연결부는 절삭 날을 규정한다. 입구면은 레이저 빔을 수신하고 레이저 빔을 레이크면, 플랭크면 및 절삭 날로 굴절시켜서, 레이저 빔이 적어도 레이크면에 근접하게 연장되는 압축 영역 및 플랭크면에 근접하게 연장되는 인장 영역에서의 피가공물로 굴절되게 하고 피가공물을 가열하게 하도록 구성된다. 레이크면은 레이크 각도를 규정하도록 레이크 측면으로부터 멀리 연장된다. 플랭크면은 레이크 각도에 대한 플랭크 각도를 규정하도록 플랭크 측면으로부터 멀리 연장된다. 레이크 각도는 다음의 레이크 각도들 중 하나를 규정하도록 크기가 정해지고, 다음의 레이크 각도들은: 피가공물의 압축 영역이 최고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최저 인장 영역이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 저 인장 영역이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 중간 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 중간 인장 영역이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 고 인장 영역이 되게 하는 제로 레이크 각도; 및 피가공물의 압축 영역이 최저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최고 인장 영역이 되게 하는 포지티브 레이크 각도를 포함한다.
[0006] 본 개시내용의 구현들은 다음의 임의적인 피처(feature)들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 최고 압축 영역, 고 압축 영역, 중간 압축 영역, 저 압축 영역 및 최저 압축 영역 각각은 절삭 날을 따라 또한 연장된다. 최고 인장 영역, 고 인장 영역, 중간 인장 영역, 저 인장 영역 및 최저 인장 영역 각각은 절삭 날을 따라 또한 연장된다.
[0007] 일부 구현들에서, 고도 네거티브 레이크 각도는 중간범위 네거티브 레이크 각도, 저범위 네거티브 레이크 각도, 제로 레이크 각도 및 포지티브 레이크 각도 각각보다 더 작다. 일부 경우들에서, 고도 네거티브 레이크 각도는 약 90°보다 더 크고 약 135°보다 더 작고, 여기서 중간범위 레이크 각도는 약 136°보다 더 크고 약 165°보다 더 작고, 여기서 저범위 네거티브 레이크 각도는 약 166°보다 더 크고 약 179°보다 더 작다. 일부 예들에서, 제로 레이크 각도는 대략 180°이다. 일부 경우들에서, 포지티브 레이크 각도는 약 181°보다 더 크고 약 210°보다 더 작다.
[0008] 레이저-전송 기계가공 툴의 본체를 규정하는 재료는, 예를 들어, 레이저 빔과 같은 광을 전송하는 임의의 바람직한 재료일 수 있다. 재료는, 다이아몬드, 사파이어, 탄화물, 입방정 붕소 질화물(cubic boron nitride)(CBN), 규소, 질화물들, 강들, 합금들, 세라믹들, 알루미나, 결정들 및 유리 복합체들로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 임의로, 반사 방지 코팅이 입구면 위에 배치될 수 있다.
[0009] 일부 구현들에서, 레이저-전송 기계가공 툴의 본체를 규정하는 재료는 다이아몬드 재료를 포함한다. 레이크 각도는 고도 네거티브 레이크 각도, 중간범위 네거티브 레이크 각도 또는 저범위 네거티브 레이크 각도 중 하나를 규정하도록 크기가 정해진다. 레이저 빔에 대해 입구면에 의해 규정되는 여유 각도(relief angle)는 대략 5°이다.
[0010] 일부 경우들에서, 레이저-전송 기계가공 툴의 본체를 규정하는 재료는 사파이어 재료를 포함한다. 레이크 각도는 고도 네거티브 레이크 각도, 중간범위 네거티브 레이크 각도 또는 저범위 네거티브 레이크 각도 중 하나를 규정하도록 크기가 정해진다. 레이저 빔에 대해 입구면에 의해 규정되는 여유 각도는 대략 7°이다.
[0011] 일부 예들에서, 레이저-전송 기계가공 툴의 본체를 규정하는 재료는 다이아몬드 재료를 포함한다. 레이크 각도는 제로 레이크 각도를 규정하도록 크기가 정해진다. 레이저 빔에 대해 입구면에 의해 규정되는 여유 각도는 대략 7°이다.
[0012] 본 개시내용의 다른 양태는 피가공물을 기계가공하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은, 레이저-전송 기계가공 툴의 절삭 날을 규정하기 위해 플랭크면에 연결되는 레이크면을 포함하는 복수의 면들을 갖는 재료의 본체를 갖는 레이저-전송 기계가공 툴을 포함한다. 레이크면은 레이크 각도를 규정하도록 복수의 면들의 측면으로부터 멀리 연장된다. 레이크 각도는, 다음의 것: 피가공물의 압축 영역이 최고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최저 인장 영역이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 저 인장 영역이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 중간 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 중간 인장 영역이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 고 인장 영역이 되게 하는 제로 레이크 각도; 및 피가공물의 압축 영역이 최저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최고 인장 영역이 되게 하는 포지티브 레이크 각도를 포함하는 복수의 레이크 각도들 중 하나를 규정하도록 크기가 정해진다. 복수의 면들은 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부 및 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 출구 단부를 규정한다. 레이저 빔 출구 단부는 레이크면, 플랭크면 및 절삭 날에 의해 규정된다. 시스템은 하우징 및 레이저 생성기를 포함한다. 하우징은 상류 단부 및 하류 단부를 갖는다. 하우징의 하류 단부는 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 출구 단부에 광학적으로 연결된다. 레이저 생성기는 하우징의 상류 단부에 광학적으로 연결되어, 레이저 생성기에 의해 생성되는 레이저 빔을 하우징의 상류 단부로부터 레이저 빔 입구 단부로, 재료의 본체를 통해, 그리고 절삭 날 및 레이크면과 플랭크면 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로, 광학적으로 전달한다.
[0013] 본 개시내용의 구현들은 다음의 임의적인 피처들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 하우징은 옵틱스(optics) 및 옵틱스 인터페이스를 포함한다. 옵틱스는 적어도 콜리메이팅 렌즈(collimating lens) 및 일련의 포커싱 렌즈를 포함한다. 콜리메이팅 렌즈는 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부에 의해 수신되기 전에 레이저 빔을 콜리메이팅하기 위해 레이저 생성기에 광학적으로 연결된다. 일련의 포커싱 렌즈는 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부에 의해 수신되기 전에 레이저 빔을 포커싱하기 위해 콜리메이팅 렌즈에 광학적으로 연결된다. 옵틱스 인터페이스는, 레이크면 또는 플랭크면을 향해 레이저 빔의 광선들을 선택적으로 바이어싱하기 위해 레이저 빔의 직경 및 초점 평면을 조정하는, 일련의 포커싱 렌즈에 연결되는 포커싱 노브(focusing knob)를 포함한다. 옵틱스 인터페이스는, 레이저 빔이 콜리메이팅 렌즈를 빠져나갈 때 레이저 빔의 각도를 변경하는, 일련의 포커싱 렌즈에 연결되는 하나 이상의 빔 위치결정 스테이지들을 포함한다.
[0014] 일부 구현들에서, 시스템은 X축 마이크로미터 조정 노브, Y축 마이크로미터 조정 노브 및 Z축 마이크로미터 조정 노브를 임의로 포함한다. X축 마이크로미터 조정 노브, Y축 마이크로미터 조정 노브 및 Z축 마이크로미터 조정 노브 각각은 레이크면 또는 플랭크면을 향해 레이저 빔의 광선들을 선택적으로 바이어싱하기 위해 옵틱스에 연결된다.
[0015] 일부 경우들에서, 시스템은, 하우징 내에 포함되는 옵틱 서브-하우징을 임의로 포함한다. 옵틱 서브-하우징은 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부로의 레이저 빔의 진입을 조정하기 위한 3차원 XYZ 좌표계의 X방향, Y방향 또는 Z방향 중 임의의 방향으로 옵틱 서브-하우징 내에 포함되는 옵틱스를 조정하기 위한 공간 조정 디바이스로 하우징에 연결된다.
[0016] 일부 예들에서, 시스템은, 노즐의 밖으로 레이저-전송 절삭 툴의 레이저 빔 출구 단부로 전달되는, 공급부 또는 저장소 내에 포함되는 열-활성화된 또는 레이저-활성화된 절삭 유체, 슬러리 또는 에천트(etchant)를 임의로 포함한다. 시스템은, 레이저-전송 절삭 툴의 레이저 빔 출구 단부 위에 배치되어야 하는 열-활성화된 또는 레이저-활성화된 절삭 유체, 슬러리 또는 에천트의 양에 대한 제어를 어서트(assert)하기 위해 공급부 또는 저장소에 유체 연결되는 펌프 및 밸브 중 하나 이상을 포함하는 액추에이터를 또한 포함할 수 있다.
[0017] 일부 구현들에서, 시스템은 제2 레이저 생성기를 임의로 포함하는데, 이 제2 레이저 생성기는 하우징의 상류 단부에 광학적으로 연결되어, 제2 레이저 생성기에 의해 생성되는 제2 레이저 빔을 하우징의 상류 단부로부터 레이저 빔 입구 단부로, 재료의 본체를 통해, 그리고 절삭 날 및 레이크면과 플랭크면 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로, 광학적으로 전달한다.
[0018] 일부 경우들에서, 시스템은, 빔 정렬 소프트웨어를 갖는 가시 빔 이미징 카메라, 및 가시 빔 이미징 카메라에 연결되는 컴퓨터 워크스테이션을 임의로 포함한다. 가시 빔 이미징 카메라는 레이저-전송 기계가공 툴을 통해 전파하는 가시 교정 광 빔을 이미징하고, 레이저-전송 기계가공 툴을 통해 전파하는 가시 교정 광 빔의 이미지를 빔 정렬 소프트웨어로 전달한다. 레이저-전송 기계가공 툴을 통과하는 가시 교정 광 빔이 정렬되지 않은 것으로 빔 정렬 소프트웨어가 결정할 때, 빔 정렬 소프트웨어는 X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들 중 하나 이상의 마이크로미터 조정 노브의 조정 또는 회전과 연관되는 제안된 최적화 값 또는 명령들을 디스플레이 상에 디스플레이하기 위한 명령들을 컴퓨터 워크스테이션에 제공한다.
[0019] 일부 예들에서, 시스템은 에너지 계량기(energy meter) 또는 전력 계량기(power meter)를 임의로 포함한다. 에너지 계량기 또는 전력 계량기는 레이저-전송 기계가공 툴의 절삭 날을 통과하는 레이저 빔의 출력 전력을 측정하기 위해 컴퓨터 워크스테이션에 연결된다.
[0020] 일부 구현들에서, 시스템은, 컴퓨터 워크스테이션에 연결되는 빔 프로파일러를 임의로 포함한다. 빔 프로파일러는 및 컴퓨터 워크스테이션은 레이저-전송 기계가공 툴을 통과하는 레이저 빔을 정렬시키기 위해 레이저-전송 기계가공 툴의 배향 각도(orientation angle) 또는 지오메트리(geometry)를 검출한다.
[0021] 일부 경우들에서, 시스템은 정밀 툴 높이 조정기를 임의로 포함한다. 정밀 툴 높이 조정기는 하우징에 연결된다.
[0022] 일부 경우들에서, 시스템은 스마트 스위블 시스템(smart swivel system)을 임의로 포함한다. 스마트 스위블 시스템은 하우징에 연결된다.
[0023] 일부 예들에서, 시스템은, 하우징에 연결되는 분리 회전 베어링 시스템, 및 하우징의 하류 단부 내에 배치되고 그에 가까이 배열되는 빔 스플리터를 임의로 포함한다. 빔 스플리터는 레이저 빔 입구면의 다수의 위치들로 레이저 빔을 전달한다.
[0024] 본 개시내용의 또 다른 양태는 피가공물을 기계가공하는 방법을 포함한다. 이 방법은, 레이저 생성기로부터 레이저 빔을 전송하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 레이저 생성기에 광학적으로 연결되는, 하우징의 상류 단부에서 레이저 빔을 수신하는 단계를 또한 포함한다. 이 방법은, 하우징의 하류 단부에 광학적으로 연결되는, 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부를 규정하는 레이저 빔 입구면에서 레이저 빔을 수신하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은, 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 입구 단부와 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 출구 단부 사이에서 연장되는, 레이저-전송 기계가공 툴의 재료의 본체를 통해 레이저 빔을 전송하는 단계를 더욱 더 포함한다. 이 방법은, 레이저-전송 기계가공 툴의 절삭 날 및 레이저-전송 기계가공 툴의 레이크면과 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로 레이저 빔을 선택적으로 지향시키는 단계를 또한 포함한다. 절삭 날, 레이크면 및 플랭크면은 레이저-전송 기계가공 툴의 레이저 빔 출구 단부를 규정한다. 레이크면은 레이크 각도를 규정하도록 레이저-전송 기계가공 툴의 측면으로부터 멀리 연장된다. 레이크 각도는, 다음의 것: 피가공물의 압축 영역이 최고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최저 인장 영역이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 고 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 저 인장 영역이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 중간 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 중간 인장 영역이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도; 피가공물의 압축 영역이 저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 고 인장 영역이 되게 하는 제로 레이크 각도; 및 피가공물의 압축 영역이 최저 압축 영역이 되게 하고 피가공물의 인장 영역이 최고 인장 영역이 되게 하는 포지티브 레이크 각도를 포함하는 복수의 레이크 각도들 중 하나를 규정하도록 크기가 정해진다.
[0025] 본 개시내용의 구현들은 다음의 임의적인 피처들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 레이저 빔은, 레이저 빔의 중심 축을 따라 연장되는 중심 광선, 레이저 빔의 중심 축으로부터 제1 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되는 제1 원주방향 어레이(first circumferential array)의 광선들 및 레이저 빔의 중심 축으로부터 제2 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되어 제2 반경방향 거리가 제1 반경방향 거리보다 더 큰 적어도 하나의 제2 원주방향 어레이의 광선들을 갖는 직경에 의해 규정된다. 레이저 빔을 선택적으로 지향시키는 단계는, 레이저 빔의 중심 광선을 레이저-전송 기계가공 툴의 절삭 날의 밖으로 지향시키는 단계, 및 레이크면과 플랭크면 중 하나를 향해 레이저 빔의 제1 원주방향 어레이의 광선들과 레이저 빔의 제2 원주방향 어레이의 광선들 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계를 포함할 수 있다.
[0026] 일부 구현들에서, 레이크면과 플랭크면 중 하나를 향해 레이저 빔의 제1 원주방향 어레이의 광선들과 레이저 빔의 제2 원주방향 어레이의 광선들 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는, 레이저 빔의 직경 및 초점 평면을 조정하는, 하우징 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈에 연결되는 포커싱 노브를 조정하는 단계를 포함한다.
[0027] 일부 경우들에서, 레이크면과 플랭크면 중 하나를 향해 레이저 빔의 제1 원주방향 어레이의 광선들과 레이저 빔의 제2 원주방향 어레이의 광선들 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는, 레이저 빔이 하우징 내에 배치되는 콜리메이팅 렌즈를 빠져나갈 때 레이저 빔의 각도를 변경하기 위해 하우징 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈에 연결되는 하나 이상의 빔 위치결정 스테이지들을 조정하는 단계를 포함한다.
[0028] 일부 예들에서, 레이크면과 플랭크면 중 하나를 향해 레이저 빔의 제1 원주방향 어레이의 광선들과 레이저 빔의 제2 원주방향 어레이의 광선들 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는, 옵틱스에 연결되는 Y축 마이크로미터 조정 노브, X축 마이크로미터 조정 노브, 및 하우징 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈에 연결되는 Z축 마이크로미터 조정 노브 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함한다.
[0029] 본 개시내용의 하나 이상의 구현들의 상세들이 아래의 설명 및 첨부 도면들에 제시된다. 다른 양태들, 피처들, 및 이점들은 이 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
[0030] 도 1은 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴의 평면도이다.
[0031] 도 2a는 예시적인 레이저 빔의 사시도이다.
[0032] 도 2b는 도 2a의 레이저 빔의 단면도이다.
[0033] 도 3은 도 2a 및 도 2b의 레이저 빔을 전송하는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0034] 도 4는 도 2a 및 도 2b의 레이저 빔을 전송하는 동안 피가공물과 맞물리게 하는 레이저-전송 기계가공 툴의 도면이다.
[0035] 도 5a는 레이저-전송 기계가공 툴의 적어도 레이크면을 따라 연장되는 최고 압축 영역 및 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면을 가로질러 연장되는 최저 인장 영역을 갖는 피가공물에 대해 배열되는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0036] 도 5b는 레이저-전송 기계가공 툴의 적어도 레이크면을 따라 연장되는 고 압축 영역 및 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면을 가로질러 연장되는 저 인장 영역을 갖는 피가공물에 대해 배열되는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0037] 도 5c는 레이저-전송 기계가공 툴의 적어도 레이크면을 따라 연장되는 중간 압축 영역 및 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면을 가로질러 연장되는 중간 인장 영역을 갖는 피가공물에 대해 배열되는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0038] 도 5d는 레이저-전송 기계가공 툴의 적어도 레이크면을 따라 연장되는 저 압축 영역 및 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면을 가로질러 연장되는 고 인장 영역을 갖는 피가공물에 대해 배열되는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0039] 도 5e는 레이저-전송 기계가공 툴의 적어도 레이크면을 따라 연장되는 최저 압축 영역 및 레이저-전송 기계가공 툴의 플랭크면을 가로질러 연장되는 최고 인장 영역을 갖는 피가공물에 대해 배열되는 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴의 측면도이다.
[0040] 도 6은 예시적인 레이저-전송 보링/분할 반경 툴(laser-transmitting boring/split radius tool)의 상면도이다.
[0041] 도 7은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0042] 도 8은 레이저-전송 드릴링/밀링 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0043] 도 9는 레이저-전송 스크라이빙/스코어링 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0044] 도 10은 레이저-전송 다이싱(dicing) 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0045] 도 10a는 레이저-전송 폴리싱(polishing) 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0046] 도 11은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0047] 도 12는 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 다른 개략도이다.
[0048] 도 13a 내지 도 13c는 레이저-전송 기계가공 툴의 절삭 날을 통해 전송되는 예시적인 크레센트(crescent)-형상화된 광 빔들을 예시한다.
[0049] 도 14는 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 다른 개략도이다.
[0050] 도 15는 단결정, 다이아몬드 기반 레이저-전송 기계가공 툴로부터 획득되는 예시적인 테스트 데이터를 예시하는 그래프이다.
[0051] 도 16은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 다른 개략도이다.
[0052] 도 17은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0053] 도 18은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0054] 도 19는 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0055] 도 20은 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0056] 도 21은 레이저-전송 연삭 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0057] 도 22는 투명 피가공물 및 비-레이저-전송 연삭 툴을 포함하는 예시적인 시스템의 개략도이다.
[0058] 도 23은 피가공물(W)을 압입하는 레이저-전송 압입 툴을 포함하는 예시적인 재료 특성화 테스팅 시스템의 개략도이다.
[0059] 도 24는 피가공물(W)을 압입하는 레이저-전송 압입 툴을 포함하는 예시적인 재료 특성화 테스팅 시스템의 개략도이다.
[0060] 다양한 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 표시한다.
[0061] 본 개시내용의 일 양태는 레이저 생성기 및 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 시스템에 관련된다. 레이저-전송 기계가공 툴은 피가공물의 표면 마감, 미학, 형태 반복성, 및 전체 기계가공성을 개선시키면서 툴링 힘(tooling force)들을 최소화시키는 재료(예를 들어, 세라믹들, 반도체들, 광학 결정들, 유리, 금속 합금들, 플라스틱들, 복합체들, 뼈, 치아 등)로 규정되는 피가공물을 기계가공할 수 있다.
[0062] 본 개시내용의 다른 양태는 피가공물을 기계가공하기 위한 레이저-전송 기계가공 툴을 포함하는 시스템을 이용하는 방법론을 포함한다. 예에서, 피가공물을 레이저-전송 기계가공 툴과 직접 맞물리게 한 후에, 레이저-전송 기계가공 툴은 피가공물을 궁극적으로 소성 변형 및/또는 열적 연화시키기 위해 피가공물의 결합들을 약화시키고 그에 따라 피가공물을 연화시킬 목적으로 레이저 생성기로부터의 레이저 방사를 피가공물에 전송한다.
[0063] 도 1을 참조하면, 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴이 일반적으로 10으로 도시되어 있다. 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20)을 규정한다. 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 표면(12)은 레이저 빔 입구면으로 지칭될 수 있다. 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 표면(14)은 레이크면으로 지칭될 수 있다. 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 표면(16)은 플랭크면 또는 클리어런스면으로 지칭될 수 있다. 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 표면(18)은 제1 측면 또는 레이크 측면으로 지칭될 수 있다. 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 표면(20)은 제2 측면 또는 플랭크 측면으로 지칭될 수 있다.
[0064] 제1 측면(18)의 제1 단부(181)는 레이저 빔 입구면(12)의 제1 단부(121)로부터 멀리 연장된다. 제2 측면(20)의 제1 단부(201)는 레이저 빔 입구면(12)의 제2 단부(122)로부터 멀리 연장된다.
[0065] 레이크면(14)의 제1 단부(141)는 제1 측면(18)의 제2 단부(182)로부터 멀리 연장된다. 플랭크면(16)의 제1 단부(161)는 제2 측면(20)의 제2 단부(202)로부터 멀리 연장된다. 조인되는 레이크면(14)의 제2 단부(142)는 절삭 날(22)을 규정하도록 플랭크면(16)의 제2 단부(162)에 조인된다.
[0066] 게다가, 레이크면(14)의 제1 단부(141)는 제1 측면(18)의 제2 단부(182)로부터 각도 θ14로 멀리 연장되고, 플랭크면(16)의 제1 단부(161)는 제2 측면(20)의 제2 단부(202)로부터 각도 θ16으로 멀리 연장된다. 레이크면(14)과 제1 측면(18)에 의해 형성된 각도 θ14는 레이크 각도로 지칭될 수 있다. 플랭크면(16)과 제2 측면(20)에 의해 형성된 각도 θ16은 플랭크 각도 또는 클리어런스 각도로 지칭될 수 있다. 도 5a 내지 도 5e와 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 레이크 각도(θ14) 및 플랭크 각도(θ16)은, 예를 들어, 레이저-전송 기계가공 툴(10)이 피가공물(예를 들어, 도 4의 W 참조)에 대해 어떻게 위치결정되는지와 같은, 레이저-전송 기계가공 툴(10)에 대한 주변 환경에 관련해서가 아니라, 레이저-전송 기계가공 툴(10) 자체의 맥락에서 설명된다.
[0067] 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 하나 이상의 표면들(예를 들어, 레이저 빔 입구면(12) 참조)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구 단부(24)를 규정할 수 있다. 추가로, 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 하나 이상의 표면들(예를 들어, 레이크면(14) 및 플랭크면(16) 참조)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)를 규정할 수 있다.
[0068] 게다가, 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 하나 이상의 표면들(예를 들어, 레이크면(14) 및 제1 측면(18) 참조)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제1 측면(28)을 규정할 수 있다. 게다가, 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 하나 이상의 표면들(예를 들어, 레이저 빔 입구면(12), 플랭크면(16) 및 제2 측면(20) 참조)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제2 측면(30)을 규정할 수 있다.
[0069] 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 툴 길이(l)를 규정한다. 예에서, 툴 길이(l)는 제1 측면(18)의 제1 단부(181) 및 절삭 날(22)에 의해 경계지어진다.
[0070] 게다가, 레이저-전송 기계가공 툴(10)은, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 복수의 표면들 또는 면들(12 내지 20) 중 적어도 하나에 적용되는 반사 방지 코팅(32)을 또한 포함할 수 있다. 예에서, 반사 방지 코팅(32)은 레이저 빔 입구면(12)에 적용될 수 있다.
[0071] 절삭 날(22), 레이크면(14) 및 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두 위에의 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)의 포함은, 레이저 빔(L)이 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 출구 단부(26)를 빠져나갈 때 레이저-전송 기계가공 툴(10)이 레이저 빔(L)의 열 또는 노광을 받게 되는 것에 응답하여 화학적으로 반응하는 것을 가능하게 한다. 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)의 반응 그리고 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 피가공물(W)에 인접하게 배열한 후에, 피가공물(W)로부터의 재료의 제거 레이트가 증가되면서도 또한 레이저-전송 기계가공 툴(10)로부터 부여된 보다 적은 툴링 힘들을 사용한다.
[0072] 도 1에서 보여지는 바와 같이, 레이저 빔(L)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통해 전송된다. 레이저 빔(L)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구 단부(24)를 향해 레이저 생성기(예를 들어, 도 7의 104 참조)로부터 지향된다. 레이저 빔(L)은 레이저 빔 입구면(12)에 대해 법선인 라인(R)에 대한 여유 각도(θ i )로 레이저 빔 입구면(12)에서 레이저-전송 기계가공 툴(10)에 진입한다. 그 후에, 레이저 빔(L)은 각도(θ r )로 레이저-전송 기계가공 툴(10) 내에서 내부적으로 굴절되고, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구 단부(24)로부터 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 길이(l)를 따라 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)로 이동한다.
[0073] 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 레이저 빔(L)은 레이저 빔 직경(Φ)을 규정한다. 레이저 빔 직경(Φ)은, 레이저 빔(L)의 중심 축(LA-LA)(예를 들어, 도 2a 참조)을 따라 연장되는 중심 광선(ΦA); 레이저 빔(L)의 중심 축(LA-LA)으로부터 제1 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되는 제1 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1); 및 레이저 빔(L)의 중심 축(LA-LA)으로부터 제2 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되어 제2 반경방향 거리가 제1 반경방향 거리보다 더 큰 적어도 하나의 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2)을 추가로 규정할 수 있다.
[0074] 도 3을 참조하면, 광의 굴절 원리들에 따라, 레이저 빔(L)이 보다 높은 굴절률(n2)의 제1 매질(예를 들어, 다이아몬드 재료)로부터 보다 낮은 굴절률(n1)의 제2 매질(예를 들어, 공기)로 진행할 때 임계 각도보다 더 작게 레이저 빔 입구면(12)에 부딪친다면 레이저 빔(L)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 빠져나갈 때 다른 굴절을 겪게 될 것이다. 지배 관계는 다음의 것에 의해 주어진다:
Figure 112019016034996-pct00001
[0075] 예에서, 레이저 빔(L)이 다이아몬드로부터 공기로 이행되는 경우, 다이아몬드 재료는 24.4°의 임계 각도를 가질 수 있고; 이 각도보다 더 크게 표면에 부딪치는 임의의 입사 레이저 빔(L)은 다이아몬드에서 내부적으로 반사될 것이다. 예에서, 도 3은, 레이저 빔 입구면(12)으로부터 레이크면(14)으로 지향되는, 레이저 빔 출구 단부(26)를 빠져나가는 예시적인 반사된 광선들(ΦR1, ΦR2)을 예시한다.
[0076] 도 4를 참조하면, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 적어도 일부분은 기계가공 프로세스 동안 피가공물(W)에 접촉하거나, 그에 인접하게 배치되거나 또는 그 내에 침지된다. 피가공물(W)을 규정하는 재료는 세라믹들, 반도체들, 광학 결정들, 유리, 금속 합금들, 플라스틱들, 복합체들, 뼈, 치아 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 피가공물(W)의 볼륨에 인접하게 배열하거나 또는 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 피가공물(W)의 볼륨 내에 침지하면, 레이저 빔(L)의 광선들(ΦA, ΦR1, ΦR2)이 피가공물(W)의 선택된 부분들로 전송되게 하고 그 선택된 부분들에 의해 흡수되게 하는데, 이는 피가공물(W)의 굴절률(n3)이 공기의 굴절률(n1)보다 더 높기 때문이고, 이는 내부 반사를 위한 임계 각도의 증가를 발생시킨다.
[0077] 예에서, 규소로 구성된 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 3.4와 동일한 굴절률(n2)에 의해 규정될 수 있어서, 내부 반사에 대한 어떠한 제한도 존재하지 않는데, 이는 기계가공되는 피가공물(W)이, 다이아몬드로 구성된 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 굴절률(n2)에 비해 더 높은 굴절률(n3)을 갖기 때문이다. 레이저 빔(L)의 광선들(ΦA, ΦR1, ΦR2)은 피가공물(W)의 침지된 영역에 진입할 것이어서, 레이저 빔(L)이 압축 응력들을 겪게 되는 피가공물(W)의 선택된 영역을 효과적으로 처리하게 한다. 이에 따라, 도 4에서 보여지는 바와 같이, 레이크면(14)을 빠져나가는 레이저 빔(L)의 광선들(ΦR1, ΦR2)은, 유사하거나 또는 보다 높은 굴절률의 피가공물(W) 내로 전파하게 되는 반면에, 플랭크면(16)을 빠져나가는 레이저 빔(L)의 광선들(ΦR1, ΦR2)은, 플랭크면(16) 및 절삭 날(22)에 의해 이미 기계가공된 피가공물(W)에 영향을 미치는 레이저 빔(L)의 일부분을 나타낸다(즉, 플랭크면(16)이 피가공물(W)에 접촉할 때 플랭크면(16)은 피가공물(W)을 어닐링한다).
[0078] 도 4에서 보여지는 바와 같이, 레이저 빔(L)의 중심 광선(ΦA)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 절삭 날(22) 상에 포커싱되고 그로부터 빠져나간다. 상기에 설명된 바와 같이, 레이저 빔(L)이 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 절삭 날(22)을 빠져나가는 것에 부가적으로, 레이저 빔(L)은 또한, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 레이크면(14)과 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두를 빠져나간다. 예에서, 제1 및 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1, ΦR2) 중 일부는 레이크면(14)을 빠져나갈 수 있고, 제1 및 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1, ΦR2) 중 일부는 플랭크면(16)을 빠져나갈 수 있다.
[0079] 계속해서 도 4를 참조하면, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)는, 레이저-전송 기계가공 툴(10)에 의해 소성 변형 및/또는 열적 연화되는 피가공물(W)에 인접하여 배치될 수 있다. 피가공물(W)은 일반적으로 압축 영역(WC) 및 인장 영역(WT)을 규정할 수 있다.
[0080] 일부 경우들에서, 피가공물(W)의 압축 영역(WC)은 일반적으로 플랭크면(16)의 제2 단부(162)에 가까운 플랭크면(16)의 일부분 및 레이크면(14)을 가로질러 연장될 수 있다(즉, 피가공물(W)의 압축 영역(WC)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)을 가로질러 연장된다). 일부 예들에서, 피가공물(W)의 인장 영역(WT)은 일반적으로, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)을 가로질러 연장되는 일 없이, 플랭크면(16)의 제2 단부(162)에 가까운 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 플랭크면(16)을 가로질러 연장될 수 있다. 다른 예들에서, 피가공물(W)의 인장 영역(WT)이 일반적으로 플랭크면(16)으로부터 그리고 절삭 날(22)을 가로질러 연장될 수 있어서, 피가공물(W)의 인장 영역(WT)은 레이크면(14)의 제2 단부(142)에 가까운 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이크면(14)을 약간 가로질러 연장된다. 일부 경우들에서, 인장 영역(WT)은 레이크면(14)을 약간 가로질러 연장될 수 있고, 그러한 경우들에서, 레이크면(14)을 약간 가로질러 연장되는 인장 영역(WT)은 레이저 전송 툴(10)의 지오메트리, 피가공물(W)의 재료, 프로세싱 파라미터들 등으로 제한되지 않는다.
[0081] 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 레이크 각도(θ14)와 플랭크 각도(θ16) 중 하나 또는 양자 모두는, 레이저-전송 기계가공 툴(10)에 의해 기계가공되어야 하는 피가공물(W)의 재료의 하나 이상의 품질들에 대응할 수 있다. 예에서, 레이크 각도(θ14)은 대략 약 91° 내지 195°의 범위일 수 있고, 플랭크 각도(θ16)는 대략 약 93° 내지 120°의 범위일 수 있다. 피가공물(W)의 재료의 하나 이상의 품질들은, 레이저-전송 기계가공 툴(10)로부터 피가공물(W)의 압축 영역(WC)으로 부여되는 압축력 및 레이저-전송 기계가공 툴(10)로부터 피가공물(W)의 인장 영역(WT)으로 부여되는 인장력의 상이한 레벨들에 관련될 수 있다.
[0082] 예에서, 도 5a의 레이크 각도(θ14)는 고도 네거티브 레이크 각도로 지칭될 수 있고, 90°보다 더 크고 약 135°보다 더 작을 수 있다. 도 5b의 레이크 각도(θ14)는 도 5a의 고도 네거티브 레이크 각도(θ14)보다 더 클 수 있는 중간범위 네거티브 레이크 각도로 지칭될 수 있고; 예에서, 중간범위 네거티브 레이크 각도(θ14)는 약 136°보다 더 크고 약 165°보다 더 작을 수 있다. 도 5c의 레이크 각도(θ14)는 도 5b의 중간범위 네거티브 레이크 각도(θ14)보다 더 클 수 있는 저범위 네거티브 레이크 각도로 지칭될 수 있고; 예에서, 저범위 네거티브 레이크 각도(θ14)는 약 166°보다 더 크고 약 179°보다 더 작을 수 있다. 도 5d의 레이크 각도(θ14)는 도 5c의 저범위 네거티브 레이크 각도(θ14)보다 더 큰 제로 레이크 각도로 지칭될 수 있고; 예에서, 제로 레이크 각도는 대략 180°와 동일할 수 있다. 도 5e의 레이크 각도(θ14)는 도 5d의 제로 레이크 각도(θ14)보다 더 클 수 있는 포지티브 레이크 각도로 지칭될 수 있고; 예에서, 포지티브 레이크 각도(θ14)는 약 181°보다 더 크고 약 210°보다 더 작을 수 있다. 표 1을 참조하면, 레이크 각도들(θ14)의 예시적인 재료들 및 대응하는 예시적인 범위들이 아래에 나타내어진다.
피가공물(W)의 재료 레이크 각도(θ 14 ) 범위
규소 약 135° 내지 약 155°
아연 셀렌화물 약 145° 내지 약 165°
아연 황화물 약 145° 내지 약 165°
칼슘 플루오르화물 약 145° 내지 약 165°
텅스텐 탄화물 약 145° 내지 약 180°
알루미늄 약 175° 내지 약 190°
강 또는 스테인리스 강 약 175° 내지 약 190°
게르마늄 약 135° 내지 약 165°
유리 약 135° 내지 약 165°
사파이어 약 135° 내지 약 165°
스피넬 약 135° 내지 약 165°
바륨 플루오르화물 약 135° 내지 약 165°
[0083] 예에서, 도 5b의 중간범위 네거티브 레이크 각도(θ14)의 도 5a의 고도 네거티브 레이크 각도(θ14)는, 피가공물(W)을 규정하는 재료가, 예를 들어, 인장에 비해 압축이 더 큰(즉, 압축 영역(WC)을 기계가공함에 있어서 수반되는 힘들이 인장 영역(WT)보다 비교적 더 크다) 세라믹 또는 광학 결정 재료일 때, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 바람직한 구성일 수 있다. 레이크 각도(θ14)와 플랭크 각도(θ16) 중 하나 또는 양자 모두의 각도의 설계 고려사항에 부가적으로, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)로부터 방사된 레이저 빔(L)은 또한, 피가공물(W)의 알려진 압축 및 인장 품질들을 보상하기 위해 선택적으로 조정될 수 있다.
[0084] 다른 예에서, 피가공물(W)의 압축 영역(WC)에 있어서 소성 변형, 열적 연화 및 재료의 제거를 촉진시키기 위해 절삭 날(22) 상에 포커싱되지만 레이크면(14)을 향해 또한 바이어싱되는 레이저 빔(L)으로 규소 재료로부터 유도되는 피가공물(W)을 기계가공하기 위해 고도 네거티브 레이크 각도(θ14)는 약 135° 내지 약 155°의 범위에 있는 각도일 수 있다. 대안적으로, 원한다면, 피가공물(W)의 인장 영역(WT)에 대한 서브-표면 손상을 최소화시키고 피가공물(W)의 어닐링 또는 "힐링(healing)" 효과를 촉진시키기 위해 레이저 빔(L)은 절삭 날(22) 상에 포커싱되지만 플랭크면(16)을 향해 또한 바이어싱될 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔(L)을 레이크면(14)을 향해 바이어싱하는 작용은 재료 제거를 증가시키면서 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 무결성을 보존한다. 게다가, 레이저 빔(L)이 플랭크면(16)을 향해 바이어싱되는 경우, 피가공물(W)의 포스트-프로세싱(post-processing)(예를 들어, 폴리싱)이 최소화 또는 제거될 수 있다.
[0085] 도 5d를 참조하는 또 다른 예에서, 제로 레이크 각도(θ14)는 (예를 들어, 알루미늄과 같은) 대부분의 금속들이 압축에 비해 인장이 더 강하다는 사실로 인해 금속 또는 금속 조성물로부터 유도되는 피가공물(W)을 기계가공하기 위해 선택될 수 있고; 그에 따라, 포지티브 레이크 각도들(θ14)(예를 들어, 도 5e 참조) 또는 0°에 가까운 레이크 각도들(θ14)(예를 들어, 도 5c 참조)이 금속성 또는 중합체 재료들을 기계가공하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 복합체 재료들은 많은 타입들로 되어 있고, 그에 따라 재료 조성물은 너무 많은 지오메트리를 제어할 것이다. 이에 따라, 강한 인장 품질을 갖는 재료에 대한 인장 영역의 기계가공성을 촉진시키기 위해, 레이저 빔(L)은 절삭 날(22) 상에 포커싱되지만 플랭크면(16)을 향해 또한 바이어싱되어, 피가공물(W)의 인장 영역(WT)에 있어서 소성 변형, 열적 연화 및 재료의 제거를 촉진시킬 수 있다.
[0086] 도 1을 참조하면, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나에 레이저 빔을 바이어싱하는 작용은 다음과 같이 설명된다. 예에서, 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 중간범위 네거티브 레이크 각도(θ14)에 의해 규정될 수 있고, 스넬의 법칙(Snell's law)에 기초하여, 최소 여유 각도(θ i )는 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 알려진 길이(l) 및 절삭 날(22) 아래의 원하는 위치(예를 들어, 수평 라인 a 참조)가 주어지면 계산될 수 있다.
[0087] 광(즉, 레이저 빔(L))이 보다 높은 굴절률(n2)의 매질(즉, 레이저-전송 기계가공 툴(10)에 의해 규정된 매질)에 진입할 때, 광의 빔은 레이저 빔 입구면(12)에 수직이 아닌 입사 빔들에 대해 굴절될 것이다. 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 매질을 규정하는 예시적인 재료들은 다이아몬드들, 사파이어들, 탄화물들, 입방정 붕소 질화물(CBN), 규소, 질화물들, 강들, 합금들, 세라믹들, 알루미나, 결정들, 유리 복합체들 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 광이 굴절하는 양은 스넬의 법칙에 기초하는데, 이 법칙은 진입 각도들의 사인들이 다음의 관계식을 사용하여 제약된다는 것을 명시한다:
Figure 112019016034996-pct00002
[0088] 공기의 경우 n1 = 1이라고 가정하면, θ 2 는 다음과 같이 유도될 수 있다:
Figure 112019016034996-pct00003
Figure 112019016034996-pct00004
는 또한
Figure 112019016034996-pct00005
로 다시 쓰여짐 (5)
[0089] 도 1의 각도들 A, B 및 C에서 식별된 삼각형 ABC의 경우, 여기서 각도 A는 90°-θ i 이고 각도 C는 대체 내각 관계를 사용하여 θ i -θ f 이다. 스넬의 법칙에 대해 다시 쓰인 형태를 사용하면, 각도 C는 또한 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다:
Figure 112019016034996-pct00006
[0090] 절삭 날(22)의 라인 a 아래의 레이저 빔(L)의 원하는 위치에 대해, 삼각형 ABC는 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 굴절률(n2) 및 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 길이(l)가 알려져 있다면(그 길이(l c )가 후방 여유 각도(θ i )로 인한 길이의 감소에 대한 삼각형의 보상된 길이라는 것에 주목하여) 다음의 공식을 사용하여 레이저 빔을 절삭 날(22)로 상향으로 굴절시키는 데 요구되는 최소 후방 각도에 대해 해결될 수 있다. 예에서, 다이아몬드 기반 레이저-전송 기계가공 툴들(10)은 0.050mm 내지 0.100mm의 범위에 있는 초기 랩 양(h i )에 의해 규정될 수 있다. 그에 따라, 길이(l)에 대한 대응하는 역 탄젠트는 다음의 경우에 작고
Figure 112019016034996-pct00007
그리고
Figure 112019016034996-pct00008
일 때 (7)
[0091] 다음과 같이 가정될 수 있다
Figure 112019016034996-pct00009
[0092] 아래에 나타내어지는 식 9는 θ i 를 획득하기 위해 알려진 값들 a 및 l에 대해 해결될 수 있다.
Figure 112019016034996-pct00010
의 경우
Figure 112019016034996-pct00011
(9)
[0093] 여기서:
Figure 112019016034996-pct00012
다이아몬드의 길이
Figure 112019016034996-pct00013
절삭 날 라인 아래의 빔의 원하는 위치
Figure 112019016034996-pct00014
절삭 날에 대한 빔의 굴절을 달성하기 위한 최대 입사 각도
[0094] 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 레이저 빔의 원하는 위치는 광(즉, 레이저) 빔 직경(Φ)에 대응할 수 있다. 예에서, 빔의 원하는 위치는 아래에 나타내어지는 식 10에 따른 레이저 빔 직경(Φ)에 직접적으로 대응할 수 있고
Figure 112019016034996-pct00015
여기서 R%는 전체 레이저 빔(L)이 절삭 날(22)의 라인 아래에 있다는 것을 보장하기 위한 여분의 안전 마진에 대응한다.
[0095] 상기의 식 9 및 식 10을 이용하여, 다음의 예들 및 연관된 표들은 복수의 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴들(10)을 나타낸다. 아래에 보여지는 바와 같이, 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴들(10) 각각은, 예를 들어, 상이한 레이크 각도들(θ14) 및 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 매질을 규정하는 재료들(예를 들어, 다이아몬드들, 사파이어들, 탄화물들, 입방정 붕소 질화물(CBN), 규소, 질화물들, 강들, 합금들, 세라믹스들, 알루미나들, 결정들, 유리 복합체들 등)에 의해 규정될 수 있다.
[0096] 다음의 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 네거티브 레이크 각도(θ14)(예를 들어, 도 5a, 도 5b 또는 도 5c 참조) 및 다이아몬드 재료에 관련된다.
예 1
R% 20%
l 2.4mm
n 2 2.417
Φ 0.200mm
h i 0.050mm
[0097] 표 2의 변수 데이터를 식 10에 적용하면, a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치)는 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00016
[0098] 이에 의해, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제1 측면(18) 아래의 유효 빔 포지션은: (h i + a) = (0.050mm + 0.12mm) = 0.17mm이다.
[0099] 그 후에, 해결된 a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치) 및 표 2의 변수 데이터를 식 1에 적용하면, 최소 여유 각도(θ i )가 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00017
의 경우
Figure 112019016034996-pct00018
(14)
Figure 112019016034996-pct00019
의 경우
Figure 112019016034996-pct00020
(15)
Figure 112019016034996-pct00021
[00100] 다음의 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 네거티브 레이크 각도(θ14)(예를 들어, 도 5a, 도 5b 또는 도 5c 참조) 및 사파이어 재료에 관련된다.
예 2
R% 20%
l 2.4mm
n 2 1.7
Φ 0.200mm
h i 0.050mm
[00101] 표 3의 변수 데이터를 식 10에 적용하면, a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치)는 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00022
[00102] 이에 의해, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제1 측면(18) 아래의 유효 빔 포지션은: (h i + a) = (0.050mm + 0.12mm) = 0.17mm이다.
[00103] 그 후에, 해결된 a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치) 및 표 3의 변수 데이터를 식 9에 적용하면, 최소 여유 각도(θ i )가 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00023
의 경우
Figure 112019016034996-pct00024
(20)
Figure 112019016034996-pct00025
의 경우
Figure 112019016034996-pct00026
(21)
Figure 112019016034996-pct00027
[00104] 비교하면, 상기에 보여지는 바와 같이, 예 1의 다이아몬드 기반 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제1 측면(18) 아래의 레이저 빔(L)의 동일한 진입 포지션이 주어진다면, 예 2의 사파이어에 의해 규정된 더 낮은 굴절률(n2)은 레이저 빔(L)이 절삭 날(22)로 지향하도록 더 큰 후방 여유 각도(θ i )를 발생시킨다.
[00105] 다음의 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 제로 레이크 각도(θ14)(예를 들어, 도 5d 참조) 및 다이아몬드 재료에 관련된다.
예 3
R% 70%
l 2.4mm
n 2 2.417
Φ 0.200mm
h i 0mm
[00106] 표 4의 변수 데이터를 식 10에 적용하면, a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치)는 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00028
[00107] 이에 의해, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 제1 측면(18) 아래의 유효 빔 포지션은: (h i + a) = (0mm + 0.17mm) = 0.17mm이다.
[00108] 그 후에, 해결된 a(즉, 절삭 날(22) 아래의 광 빔의 원하는 위치) 및 표 4의 변수 데이터를 식 9에 적용하면, 최소 여유 각도(θ i )가 다음과 같이 해결된다:
Figure 112019016034996-pct00029
의 경우
Figure 112019016034996-pct00030
(26)
Figure 112019016034996-pct00031
의 경우
Figure 112019016034996-pct00032
(27)
Figure 112019016034996-pct00033
[00109] 도 6을 참조하면, 보링/분할 반경 툴일 수 있는 예시적인 레이저-전송 기계가공 툴(10)이 도시되어 있다. 도 6은 X-Z 기준 좌표들로 나타낸 바와 같은 레이저-전송 보링/분할 반경 툴(10)의 상면도를 나타낸다. 도 6에서 보여지는 바와 같이, 레이저-전송 보링/분할 반경 툴(10)은 툴 홀더(도시되지 않음)의 후방 면 상에 위치결정될 때 레이저 빔(L)이 절삭 날(22)을 향해 굴절되게 하는 충분한 여유 각도(θ bi )를 레이저 빔 입구면(12)에 제공하도록 크기가 정해진다. 평면은 Y축을 중심으로 한 회전으로서 규정될 수 있는데, 이때 Y축은 X-Z 기준 좌표들에 따라 페이지의 밖으로 포인팅하고; 여유 각도(θ bi )에 부가적으로, 레이저 빔 입구면(12)은 θ i 에 대응하여 레이저 빔(L)을 절삭 날에 대해 상향으로 지향시키도록 추가로 여유를 줄 수 있다.
[00110] 도 7을 참조하면, 상술된 레이저-전송 기계가공 툴들(10) 중 임의의 것을 포함하는 시스템(100)이 도시되어 있다. 예에서, 시스템(100)은 피가공물들(W)의 레이저-보조 기계가공을 제공하기 위해 기존 머신 툴에 대해 개량될 수 있다. 다른 예에서, 시스템(100)은 피가공물들(W)의 레이저-보조 기계가공을 제공하기 위한 독립형 장비로서 구현될 수 있다.
[00111] 시스템(100)은, 상류 단부(102U) 및 하류 단부(102D)를 갖는 하우징(102)을 포함한다. 하우징(102)의 하류 단부(102D)는 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 기계적으로 보유하기 위해 크기가 정해지는 리세스, 캐비티 등을 규정할 수 있다. 하우징(102)의 상류 단부(102U)는 상류 단부(106U) 및 하류 단부(106D)에 의해 규정되는 광섬유(106)에 의해 레이저 생성기(104)에 광학적으로 연결된다.
[00112] 레이저 생성기(104)는 레이저 빔(L)을 생성하는데, 이 레이저 빔(L)은 광섬유(106)의 상류 단부(106U)로부터 광섬유(106)의 길이를 통해 그리고 광섬유(106)의 하류 단부(106D)의 밖으로 지향되고, 이 하류 단부(106D)는 하우징(102)의 상류 단부(102U)에 연결된다. 레이저 빔(L)이 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구면(12)에 지향되도록 레이저 빔(L)은 하우징(102)의 상류 단부(102U)로부터 하우징(102)의 길이를 통해 그리고 하우징(102)의 하류 단부(102D)의 밖으로 광학적으로 전달된다. 그 후에, 레이저 빔(L)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통해 이동하고 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22) 및 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두를 빠져나간다. 레이저 빔(L)이 광섬유(106)를 통해 전송되는 것으로 상술되었지만, 레이저 빔(L)이 레이저 생성기(104)로부터 하우징(102)으로 임의의 바람직한 방식으로 전송될 수 있다는 것이 이해되어야 하기 때문에, 광섬유(106)의 사용은 예시적인 구성이다.
[00113] 레이저 빔(L)은 레이저 생성기(104)에 의해 생성되는 것으로 상술되지만, 레이저 생성기(104)는 광, 에너지 등을 생성하는 "생성기"로 대안적으로 지칭된다. 예에서, 생성기(104)는, 광 스펙트럼들의 가시적 내지 비가시적 레짐(regime)을 포함하는, 전자기 스펙트럼들 내의 임의의 위치에서 광 빔(L)을 생성할 수 있다.
[00114] 예에서, 시스템(100)은, 하우징(102) 내에 배치되고 광섬유(106)의 하류 단부(106D)에 광학적으로 연결되는 콜리메이팅 렌즈(108)를 포함할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(108)는 레이저 빔(L)을 콜리메이팅하고, 이 레이저 빔(L)은 그 후에, 콜리메이팅 렌즈(108)에 광학적으로 연결되고 콜리메이팅 렌즈(108)의 하류에 있는, 하우징(102) 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈(110)를 통해 가이드된다. 일련의 포커싱 렌즈(110)는 스폿 사이즈를 감소시키고, 레이저 빔(L)을 초점 평면에 포커싱하는데, 이 초점 평면은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구면(12)을 가로질러 연장될 수 있다.
[00115] 시스템(100)은 또한, 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 포커싱 노브(112)를 포함할 수 있다. 포커싱 노브(112)를 회전시킴으로써, 사용자는 일련의 포커싱 렌즈(110)의 포지션을 시프트시킴으로써 레이저 빔 직경(Φ) 및 초점 평면을 선택적으로 조정할 수 있다.
[00116] 레이저 빔(L)의 형상화 및/또는 크기 정해짐(sizing)에 응답하여, 사용자는 레이저 빔(L)이 절삭 날(22)뿐만 아니라 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두를 빠져나가도록 레이저 빔(L)이 어떻게 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)를 빠져나가는지에 대한 제어를 어서트할 수 있고, 이에 의해 레이저 빔 출구 단부(26)를 빠져나가는 광선들(ΦR1, ΦR2)은 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나를 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 다른 하나에 우선하여 빠져나가도록 선택적으로 바이어싱될 수 있다.
[00117] 레이저 빔(L)은 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)와 피가공물(W) 사이의 접촉 영역뿐만 아니라 속도(예를 들어, 스핀들 RPM), 피가공물(W)의 절삭 깊이, 교차 피드(cross-feed) 및 레이저 전력을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 기계가공 파라미터들에 기초하여 형상화 및/또는 크기가 정해질 수 있다. 게다가, 레이저 빔(L)이 콜리메이팅 렌즈(108)를 빠져나갈 때 레이저 빔(L)의 각도를 변경하는, 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 빔 위치결정 스테이지들(114)을 사용하여 레이저 빔(L)이 절삭 날(22)과 관련하여 정밀하게 위치결정될 수 있다.
[00118] 다른 예에서, 시스템(100)은, 피가공물(W)과 관련하여 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)의 미세 및 비정밀 조정을 가능하게 하는, 하우징(102)에 연결되는 정밀 툴 높이 조정기(116)를 포함할 수 있다. 정밀 툴 높이 조정기(116)의 사용자 조작은 서브-미크론(즉, 1 마이크로미터보다 더 작음) 공차들로 정밀 부품들을 제조할 때 개선된 마감 및 외관 형태를 가능하게 한다.
[00119] 또 다른 예에서, 시스템(100)은, 하우징(102)에 연결되는 스마트 스위블 시스템(118)을 포함할 수 있다. 스마트 스위블 시스템(118)은, 예를 들어, 피가공물(W)의 오목 또는 볼록 표면들을 기계가공할 때 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)이 그것의 전체 절삭 반경을 따라 균일하게 절삭 및 마모할 수 있게 하기 위해 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)이 임의의 원하는 각도로 회전되는 것을 가능하게 하고, 여기서 절삭 날(22)을 따르는 마모 영역이 그것의 중심을 중심으로 대칭이 되도록 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 회전 각도가 최적화된다.
[00120] 상술된 바와 같이, 시스템(100)은 피가공물들(W)의 레이저-보조 기계가공을 제공하기 위한 독립형 기기 또는 개량된 시스템으로서 포함될 수 있다. 도 6에서 상기에 보여지는 바와 같이, 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 보링/분할 반경 툴일 수 있고, 이에 따라, 시스템(100)에 의해 실행되는 기계가공 프로세스는 피가공물(W)을 보링하는 작용을 포함할 수 있다. 시스템(100)에 의해 실행되는 기계가공 프로세스는 보링하는 작용을 포함할 수 있지만, 기계가공 프로세스는 보링에 제한되지 않고, 예를 들어, 라싱(lathing), 정밀(즉, 10s 또는 100s의 마이크로미터들의 공차들) 드릴링/밀링(예를 들어, 도 8 참조), 스크라이빙/스코어링(예를 들어, 도 9 참조), 다이싱(dicing)(예를 들어, 도 10 참조) 등을 포함할 수 있다. 예에서, 선삭(turning) 동작들은 기계가공 툴에 대해 재료를 이동시키는 주요 방법으로서 피가공물(W)을 회전시키는 동작들이고; 선반들(lathes)은 선삭에 사용되는 주요 머신 툴이다. 다른 예에서, 밀링 동작들은 기계가공 툴이 회전하여 하나 이상의 절삭 날들이 피가공물(W)에 대해 베어링되게 하는 동작들이고; 밀링 머신들은 밀링에 사용되는 주요 머신 툴이다. 또 다른 예에서, 드릴링 동작들은 보다 낮은 말단에서 절삭 날들을 갖는 회전 기계가공 툴을 피가공물(W)과 접촉하게 함으로써 홀들이 생성 또는 미세화되는 동작들이고; 드릴링 동작들은 주로 드릴 프레스들에서 행해지지만 때로는 라스들 또는 밀들 상에서 행해진다. 더욱 더 다른 예에서, 다이싱 동작들은, 정밀(즉, 10s 또는 100s의 마이크로미터들의 공차들) 휠/톱을 사용하는 브레이킹(breaking) 또는 소잉(sawing)을 포함할 수 있다.
[00121] 도 8 내지 도 10a를 참조하면, 예시적인 시스템들이 일반적으로 100a, 100b 및 100c로 도시되어 있다. 도 8의 시스템(100a)은 예시적인 레이저-전송 드릴링/밀링 툴(10a)을 포함하는 예시적인 드릴링/밀링 시스템이다. 도 9의 시스템(100b)은 예시적인 레이저-전송 스크라이빙/스코어링 툴(10b)을 포함하는 예시적인 스크라이빙/스코어링 시스템이다. 도 10의 시스템(100c)은 예시적인 레이저-전송 다이싱 툴(10c)을 포함하는 예시적인 다이싱 시스템이다. 도 10a의 시스템(100c')은 예시적인 레이저-전송 폴리싱 툴(10c')을 포함하는 예시적인 폴리싱 시스템이다. 시스템들(100a, 100b, 100c, 100c')은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다.
[00122] 예에서, 도 8의 드릴링/밀링 시스템(100a)은 피가공물(W)을 기계가공하기 위해 중심 축(A-A)을 중심으로 회전(R)할 수 있다. 중심 축(A-A)을 중심으로 회전(R)을 가능하게 하기 위해, 하우징(102)은 분리 회전 베어링 시스템(120)을 포함할 수 있다. 분리 회전 베어링 시스템(120)은 레이저-전송 드릴링/밀링 툴(10a)이 회전할 때 하우징(102) 내에 배치되는 옵틱스가 회전하는 것을 방지한다. 게다가, 드릴링/밀링 시스템(100a)은, 레이저-전송 드릴링/밀링 툴(10a)의 레이저 빔 입구면(12)의 다수의 위치들로 레이저 빔(L)을 전달하기 위해 하우징(102)의 하류 단부(102D) 내에 배치되고 그에 가까이 배열되는 빔 스플리터(122)를 포함할 수 있다. 드릴링/밀링 시스템(100a)의 예시적인 용도들은 세라믹들, 반도체들, 광학 결정들, 유리, 금속들, 뼈, 치아 등의 정밀 드릴링/밀링을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
[00123] 예에서, 도 9의 스크라이빙/스코어링 시스템(100b) 및 도 10의 다이싱 시스템(100c)은 각각의 레이저-전송 기계가공 툴들(10b, 10c)의 형상 및/또는 구조체를 제외하고는 하우징(102)과 관련하여 실질적으로 유사한 구조체를 포함할 수 있다. 도 9에서 보여지는 바와 같이, 스크라이빙/스코어링 시스템(100b)은, 스타일러스와 유사한 원추형으로 형상화된 레이저-전송 스크라이빙/스코어링 툴(10b)을 포함한다. 스크라이빙/스코어링 시스템(100b)의 예시적인 용도들은 반도체 웨이퍼 스크라이빙/스코어링, 반도체 회로 스코어링 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 도 10에서 보여지는 바와 같이, 다이싱 시스템(100c)은, 실질적으로 편평한 또는 뭉툭한(blunt) 레이저-전송 다이싱 툴(10c)을 포함한다. 레이저-전송 다이싱 툴(10c)은 일정하게 회전하고 있을 수 있지만, 레이저-전송 다이싱 툴(10c)의 레이저 빔 출구 단부(26)와 피가공물(W) 사이의 접촉 스폿이 고정 빔 경로를 따르기 때문에 고정적으로 유지될 수 있다. 다이싱 시스템(100c)의 예시적인 용도들은 유리 다이싱, 웨이퍼 다이싱 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
[00124] 예에서, 도 10a의 폴리싱 시스템(100c')은 광학 패드 인터페이스를 포함할 수 있는데, 이 광학 패드 인터페이스는 레이저 빔(L)이 그것을 통해 폴리싱/랩핑 패드(polishing/lapping pad)로 전송되게 한다. 레이저 빔(L)의 전송은 피가공물(W)의 열적 연화를 가능하게 한다. 피가공물(W)의 연화는 종래의 비-레이저 폴리싱/랩핑 프로세스에 비해 더 높은 재료 제거 레이트를 촉진시킬 것이다. 부가적으로, 레이저 전송을 향상시킬 뿐만 아니라 피가공물(W)의 폴리싱/랩핑 특성들을 향상시키기 위해 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)(예를 들어, 도 17 참조)가 랩핑 패드 및/또는 레이저-전송 폴리싱 툴(10c)의 레이저 빔 출구 단부(26) 위에 스프레이 또는 배치될 수 있다.
[00125] 도 11을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100d로 도시되어 있다. 시스템(100d)은 예시적인 레이저-전송 절삭 툴(10d)을 포함하는 예시적인 절삭 시스템이다. 레이저-전송 절삭 툴(10d)은, 상술된 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 지오메트리와 실질적으로 유사한 지오메트리를 포함할 수 있다. 시스템(100d)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다.
[00126] 도 7의 시스템(100)과 관련하여 유사하게 상술되는 바와 같이, 시스템(100d)의 생성기(104)는, 광 스펙트럼들의 가시적 내지 비가시적 레짐을 포함하는, 전자기 스펙트럼들 내의 임의의 위치에서 광 빔(L)을 생성할 수 있다. 예에서, 생성기(104)는, 가시 광 빔과 IR 광 빔 양측 모두가 동일 선상(co-linear)에 있는 듀얼 레이저 시스템(즉, 가시 광 및 IR 광)을 포함하는 레이저 생성기일 수 있다. 예를 들어, 632nm HeNe 빔일 수 있는 가시 광 빔은, (XYZ 좌표계의) X축을 따라, 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 노즈 반경(nose radius)과 관련하여 광 빔(L)을 센터링하는 데 이용되고; 예를 들어, 1064nm일 수 있는 IR 광 빔은 (XYZ 좌표계의) Y축을 따라 광 빔(L)을 그것의 원하는 포지션으로 정렬하는 데 이용된다.
[00127] 도 11에서 보여지는 바와 같이, 하우징(102)은 또한 X축 마이크로미터 조정 노브(124), Y축 마이크로미터 조정 노브(126) 및 Z축 마이크로미터 조정 노브(128)를 포함할 수 있다. X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128)이 콜리메이팅 렌즈(108) 및 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되어 X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128) 중 하나 이상의 마이크로미터 조정 노브의 회전이 광 빔(L)을 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나 이상 그리고 절삭 날(22)의 밖으로 선택적으로 지향시키기 위해 광 빔(L)이 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 레이저-전송의 레이저 빔 입구면(12)에 어떻게 진입하는지에 대한 정밀한 제어를 발생시키도록 한다.
[00128] 도 12를 참조하면, 광 빔(L)의 가시 빔은 광 빔(L)을 (X-Y-Z 좌표계의) 원하는 X축 위치로 위치결정하는 데 이용된다. 광 빔(L)의 가시 빔이 광 빔(L)의 IR 빔과 동일 선상에 있기 때문에, 가시 빔은 가이드 레이저로서 작용한다.
[00129] 도 12에서 보여지는 바와 같이, 시스템(100d)은, 빔 정렬 소프트웨어를 포함하는 가시 빔 이미징 카메라(130)를 또한 포함할 수 있다. 예에서, 카메라(130)는, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 커플링되는, 특수 목적 또는 범용일 수 있는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서를 포함하는 프로그래밍가능 시스템 상에서 실행가능한 그리고/또는 해석가능한 프로그램들을 포함하는 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결될 수 있다. 가시 교정 광 빔으로 지칭될 수 있는, 광 빔(L)의 가시 빔이, 가시 빔 이미징 카메라(130)에 의해 이미징된 이미지에 따라 최적으로 정렬되지 않는다고 빔 정렬 소프트웨어가 결정하는 것에 응답하여, 카메라(130)는 X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128) 중 하나 이상의 마이크로미터 조정 노브의 조정 또는 회전과 연관되는 제안된 최적화 값 또는 명령들을 디스플레이 상에 디스플레이하기 위한 신호를 컴퓨터 워크스테이션(132)에 전송할 수 있다.
[00130] 생성기(104)에 의해 투사되는 가시 광 빔(L)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 노즈 반경 또는 절삭 날(22)과 유사하도록 형상화될 수 있다. 도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 생성기(104)에 의해 투사되는 가시 광 빔(L)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 노즈 반경 또는 절삭 날(22)의 형상에 대응하는 크레센트 형상과 유사하도록 형상화될 수 있다. 예에서, X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128) 중 하나 이상은, 예를 들어, 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 노즈 반경을 따르는 최대 "작업 영역" 또는 절삭되고 있는 피가공물(W)의 지오메트리에 의존하여 원하는 방향으로 가시 광 빔(L)을 센터링(예를 들어, 도 13a 참조) 또는 바이어싱(예를 들어, 도 13b의 좌측 광 빔 바이어스 또는 도 13c의 우측 광 빔 바이어스 참조)하기 위해 조정될 수 있다.
[00131] 도 14를 참조하면, 시스템(100d)은 또한 에너지 계량기 또는 전력 계량기(134)를 포함할 수 있다. 예에서, 전력 계량기(134)는 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결될 수 있다. 도 14에서 보여지는 바와 같이, 광 빔(L)의 IR 빔(이는 또한 피가공물(W)을 절삭하기 위한 레이저-보조 절삭 프로세스 동안 사용될 것이다)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 지오메트리와 관련하여 광 빔(L)의 미세 정렬 및 정밀 위치결정을 수행하는 데 이용될 수 있다. 이에 따라, 예에서, IR 빔(또는 대안적인 파장)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 절삭 날(22) 또는 노즈 반경을 통과하고, IR 빔의 출력 전력은 전력 계량기(134)에 의해 측정되어 광 빔(L)을 센터링한다.
[00132] 도 15를 참조하면, 단결정, 다이아몬드 기반 레이저-전송 기계가공 툴(10)로부터 획득되는 예시적인 테스트 데이터를 예시하는 그래프(200)가 도시되어 있다. 단결정, 다이아몬드 기반 레이저-전송 기계가공 툴(10)은 0.5mm 노즈 반경에 의해 규정될 수 있다. 레이크 및 플랭크 각도들(θ14, θ16)을 따라 광 빔(L)을 효과적으로 이동시키는, 광 빔(L)의 Y축 포지션을 이동시키기 위한 Y축 마이크로미터 조정 노브(126)를 조정 또는 회전시킴으로써 그래프(200)와 연관된 데이터가 수집되었다. 일단 데이터가 플롯되었다면, 포인트 1 및 포인트 2는 광 빔(L)의 100% 레이크 바이어스 및 광 빔(L)의 100% 플랭크 바이어스와 연관된 최대 한계들로서 식별되었다. 일단 전력 계량기(134)에 의해 감지된 전력 판독치들이 레이크 및 플랭크 각도들(θ14, θ16)에서 포화되기 시작하였다면 포인트 1 및 포인트 2가 식별되었다. 일단 (포인트 1과 포인트 2 사이의) 유효 존이 식별되었다면, 사용자는 레이저-전송 기계가공 툴(10) 및 애플리케이션의 지오메트리와 함께 기계가공되어야 하는 피가공물(W)에 기초하여 원하는 광 빔 포지션 및 연관된 바이어스를 선정할 수 있다.
[00133] 도 5a 내지 도 5e에서 상기에 설명된 바와 같이, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 특정 지오메트리는 피가공물(W)의 지오메트리들 및 피가공물(W)을 규정하는 재료의 품질들에 기초하여 선정될 수 있다(즉, 중간범위 네거티브 레이크, 고도 네거티브 레이크 및 제로 레이크를 규정하는 레이크 각도(θ14)는 특정 재료들에 대한 상이한 레벨들의 압축력 및 인장력을 나타낸다). 예에서, 세라믹들 및 광학 결정들과 같은 일부 재료들은 압축이 강하고 인장이 약한데, 이는 고도 네거티브 레이크를 규정하는 선택된 레이크 각도(θ14)에 이르게 할 것이다(예를 들어, 도 5a 참조).
[00134] 규소를 기계가공하기 위해 고도 네거티브 레이크 각도의 레이저-전송 절삭 툴(10d)을 사용하는 예에서, 시스템(100d)의 사용자는 피가공물(W)의 압축 영역(WC)에서 발생하는 재료 제거를 지원하기 위해 고도 네거티브 레이크 각도의 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 레이크면(14)을 향해 광 빔(L)을 바이어싱하도록 선택할 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이, 레이저 빔(L)은 피가공물(W)의 압축 영역(WC)에서의 분자 결합들을 약화시키고, 그에 따라 재료의 경도를 감소시켜서, 그에 의해 재료를 더 기계가공가능하게 만든다.
[00135] 대안적으로, 다른 예에서, 사용자는 기계가공 프로세스 및 툴 힘들이 피가공물(W)의 인장 영역(WT)에서의 표면 및 서브표면 손상을 야기하고 있다는 것을 판정할 수 있다. 이를 최소화시키기 위해, 시스템(100d)의 사용자는 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 플랭크면(16)을 향해 광 빔(L)을 바이어싱하도록 선정할 수 있고, 여기서 어닐링 또는 "힐링" 효과가 피가공물(W)의 인장 영역(WT)에서의 표면 및 서브표면 손상의 발생을 최소화시킬 것이다.
[00136] 알루미늄과 같은 금속들을 기계가공하는 경우의 또 다른 예에서, 금속들이 통상적으로 인장 영역(WT)에서 강하고 압축 영역(WC)에서 약하기 때문에 제로 또는 포지티브 레이크 각도의 레이저-전송 절삭 툴(10d)이 사용자에 의해 선정될 수 있다. 피가공물(W)의 인장 영역(WT)에서 기계가공성을 추가로 촉진시키기 위해, 광 빔(L)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 플랭크면(16)을 향해 바이어싱될 수 있다.
[00137] 도 16을 참조하면, 시스템(100d)은 또한 빔 프로파일러(136)를 포함할 수 있다. 예에서, 빔 프로파일러(136)는 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결될 수 있다. 광 빔(L)은 레이저-전송 절삭 툴(10d)의 다양한 각도들 및 지오메트리들을 검출하기에 충분히 민감한 빔 프로파일러(136)를 사용하여 또한 정렬될 수 있다.
[00138] 도 17을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100f로 도시되어 있다. 시스템(100f)은 예시적인 레이저-전송 절삭 툴(10f)을 포함하는 예시적인 절삭 시스템이다. 레이저-전송 절삭 툴(10f)은, 상술된 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 지오메트리와 실질적으로 유사한 지오메트리를 포함할 수 있다. 시스템(100f)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 시스템(100f)은, 하우징(102) 내에 포함되는 옵틱 서브-하우징(101)을 또한 포함할 수 있다. 옵틱 서브-하우징(101)은, 옵틱 서브-하우징(101) 내에 포함되는 옵틱스(108, 110)를 조정하기 위한 공간 조정 디바이스(111)로 하우징(102)에 연결될 수 있다. 3차원 XYZ 좌표계의 X방향, Y방향 또는 Z방향 중 임의의 방향에서의 옵틱스(108, 110)의 공간적 조정은 레이저-전송 절삭 툴(10f)의 입구면(12)으로의 레이저 빔(L)의 진입을 조정하여, 레이크면(14)과 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두 및 절삭 날(22)에서 레이저 빔(L)을 지향, 형상화 및 위치결정한다.
[00139] 도 18을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100g로 도시되어 있다. 시스템(100g)은 예시적인 레이저-전송 절삭 툴(10g)을 포함하는 예시적인 절삭 시스템이다. 레이저-전송 절삭 툴(10g)은, 상술된 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 지오메트리와 실질적으로 유사한 지오메트리를 포함할 수 있다. 시스템(100g)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 시스템(100g)은, 공급부 또는 저장소 내에 포함되는 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)를 또한 포함할 수 있다. 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 저장소의 밖으로, 호스(139)를 통해 그리고 노즐(141)의 밖으로 전달될 수 있다. 레이저-전송 절삭 툴(10g)의 레이저 빔 출구 단부(26) 위에 스프레이 또는 배치되어야 하는 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)의 양에 대한 제어를 어서트하기 위해 펌프 및 밸브 중 하나 이상을 포함하는 액추에이터(143)가 호스(139)에 유체 연결될 수 있다. 예에서, 컴퓨터 워크스테이션(132)은, 예로서, 레이저-전송 절삭 툴(10g)의 레이저 빔 출구 단부(26)를 향해 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)의 (예를 들어, 밸브를 연속적으로 개방 및 폐쇄하는 것에 의한) 일정한 흐름 또는 주기적인 흐름을 가능하게 하기 위한 신호를 액추에이터(143)에 전송하기 위해 액추에이터(143)에 연결될 수 있다. 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 펌핑될 수 있지만, 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 대안적으로 중력 피딩될(gravity fed) 수 있다. 게다가, 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)가 스프레이될 수 있지만, 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 대안적으로 분무((misted) 또는 플러딩(flooded)될 수 있다. 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 선삭, 드릴링, 연삭 또는 폴리싱 적용에서 레이저-전송 절삭 툴(10g)의 레이저 빔 출구 단부(26) 위에 배치될 수 있다. 게다가, 열-활성화된/레이저-활성화된 절삭 유체/슬러리/에천트(137)는 피가공물(W), 레이저-전송 절삭 툴(10g) 또는 피가공물(W)과 레이저-전송 절삭 툴(10g) 양측 모두를 향해 지향될 수 있다.
[00140] 도 19를 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100h로 도시되어 있다. 시스템(100h)은 적어도 하나(예를 들어, 10h1 및 10h2에서 2개)의 예시적인 레이저-전송 절삭 툴(10h)을 포함하는 예시적인 절삭 시스템이다. 각각의 레이저-전송 절삭 툴(10h1, 10h2)은, 상술된 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 지오메트리와 실질적으로 유사한 지오메트리를 포함할 수 있다. 시스템(100h)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 시스템(100h)은 또한 빔 스플리터(146)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(146)는 레이저 빔(L)을 제1 빔 부분(L1)과 제2 빔 부분(L2)으로 분할한다. 제1 빔 부분(L1)은 제1 레이저-전송 절삭 툴(10h1)의 입구면(12)으로 지향되고 제2 빔 부분(L2)은 제2 레이저-전송 절삭 툴(10h2)의 입구면(12)으로 지향된다. 시스템(100h)은 레이저 에너지를 제1 레이저-전송 절삭 툴(10h1)로 동시에 지향시키는 데 이용될 수 있고, 제2 빔 부분(L2)은 제2 레이저-전송 절삭 툴(10h2)의 입구면(12)으로 지향된다.
[00141] 도 20을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100i로 도시되어 있다. 시스템(100i)은 예시적인 레이저-전송 절삭 툴(10i) 및 적어도 하나(예를 들어, 1041 및 1042에서 2개)의 레이저 생성기들(104)을 포함하는 예시적인 절삭 시스템이다. 레이저-전송 절삭 툴(10i)은, 상술된 도 1의 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 지오메트리와 실질적으로 유사한 지오메트리를 포함할 수 있다. 시스템(100i)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 제1 레이저 생성기(1041)는 제1 광섬유(1061)를 통해 전달되는 제1 레이저 빔(L1)을 생성하는데, 이 제1 레이저 빔(L1)은 후속하여 레이저-전송 절삭 툴(10i)의 입구면(12)으로 지향되고, 제2 레이저 생성기(1042)는 제2 광섬유(1062)를 통해 전달되는 제2 레이저 빔(L2)을 생성하는데, 이 제2 레이저 빔(L2)은 후속하여 레이저-전송 절삭 툴(10i)의 입구면(12)으로 지향된다. 제1 레이저 빔(L1) 및 제2 레이저 빔(L2)은, 상이한 타입들의 레이저 에너지를 피가공물(W)에 제공하기 위한 레이저 에너지의 다수의 소스들을 레이저-전송 절삭 툴(10g)의 상이한 면들에 제공하기 위해 레이저-전송 절삭 툴(10g)의 레이저 빔 출구 단부(26)의 상이한 부분들(예를 들어, 절삭 날(22), 레이크면(14) 및 플랭크면(16))에 전달되는 고유 파장들에 의해 규정될 수 있다.
[00142] 도 21을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100j로 도시되어 있다. 시스템(100j)은 피가공물(W)을 연삭하는 레이저-전송 연삭 툴(10j)을 포함하는 연삭 시스템이다. 일부 경우들에서, 연삭 툴(10j)은 폴리싱 동작에 이용될 수 있고, 그에 따라 툴(10j) 및 시스템(100j)은 대안적으로 레이저-전송 폴리싱 툴 및 폴리싱 시스템으로 지칭될 수 있다. 레이저-전송 연삭 툴(10j)은 제1 및 제2 측벽 표면들(140, 142)을 조인하는 트레드 표면(tread surface)(138)에 의해 규정되는 휠 또는 타이어 형상을 갖는 디스크를 형성하도록 형상화될 수 있다. 시스템(100j)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들(예를 들어, 하우징(102) 등)을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 도 21에서 보여지는 바와 같이, 레이저 빔(L)은 레이저-전송 연삭 툴(10j)의 제1 측벽 표면(140)을 규정하는 레이저 빔 입구 단부(24)로 지향된 후에, 레이저-전송 연삭 툴(10j)의 트레드 표면(138)을 규정하는 레이저 빔 출구 단부(26)를 빠져나간다. 트레드 표면(138)은 피가공물(W)의 기계가공성(즉, 연삭)을 증가시키기 위해 레이저 빔(L)에 의해 가열 및 연화되는 피가공물(W)과 직접 맞물린다.
[00143] 도 22를 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100k로 도시되어 있다. 시스템(100k)은 레이저-전송 피가공물(W), 및 그 피가공물(W)을 연삭하는 비-광학-전송 연삭 툴(10k)을 포함하는 연삭 시스템이다. 비-광학-전송 연삭 툴(10k)은 제1 및 제2 측벽 표면들(146, 148)을 조인하는 트레드 표면(144)에 의해 규정되는 휠 또는 타이어 형상을 갖는 디스크를 형성하도록 형상화될 수 있다. 시스템(100k)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들(예를 들어, 하우징(102) 등)을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다. 도 22에서 보여지는 바와 같이, 레이저 빔(L)은 비-광학-전송 연삭 툴(10k)의 트레드 표면(144)에서 피가공물(W)을 통해 지향된다. 레이저 빔(L)이 비-광학-전송 연삭 툴(10k)의 트레드 표면(144) 위에 입사된 결과, 트레드 표면(144)은 피가공물(W)의 기계가공성(즉, 연삭)을 증가시키기 위해 레이저 빔(L)에 의해 가열된다.
[00144] 도 23을 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100l로 도시되어 있다. 시스템(100l)은 피가공물(W)을 압입하는 레이저-전송 압입 툴(laser-transmitting indentation tool)(10l)을 포함하는 재료 특성화 테스팅 시스템이다. 시스템(100l)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들(예를 들어, 하우징(102) 등)을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다.
[00145] 예에서, 시스템(100l)의 레이저-전송 압입 툴(10l)은 피가공물(W)의 재료 경도를 테스팅하기 위해 (나노, 마이크로 또는 매크로 레벨로) 압입한다. 재료 경도 테스트는 상승된 온도들에서의 재료 거동, 안정성 및 경도를 결정하기 위해 실온에서 또는 실온 부근(예를 들어, 72°F)에서 수행될 수 있다.
[00146] 툴 샤프트(150)는 하우징(102)의 하류 단부(102D)로부터 연장될 수 있다. 로드-인가 액추에이터(152)는 툴 샤프트(150)에 조인될 수 있고 변위 센서(154)는 툴 샤프트(150)를 중심으로 배열될 수 있다. 피가공물(W)이 레이저-전송 압입 툴(10l)에 의해 가열 및 연화된 후에, 로드-인가 액추에이터(152)는 피가공물(W)을 향해 툴 샤프트(150)를 플런징하도록 작동된다. 변위 센서(154)는 레이저-전송 압입 툴(10l)이 피가공물(W)로 구동되고 그것을 압입한 결과 피가공물(W)을 향하는 플런징 방향으로의 툴 샤프트(150)의 이동량을 검출한다. 변위 센서(154)는 툴 샤프트(150)의 이동량 및 툴 샤프트(150)의 이동량과 연관된 피가공물(W)의 재료의 대응하는 경도를 디스플레이 상에 디스플레이하기 위해 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결된다.
[00147] 도 24를 참조하면, 예시적인 시스템이 일반적으로 100m으로 도시되어 있다. 시스템(100m)은 피가공물(W)을 압입하는 레이저-전송 압입 툴(10m)을 포함하는 재료 특성화 테스팅 시스템이다. 시스템(100m)은 도 7의 시스템(100)의 실질적으로 유사한 구조체 및 컴포넌트들(예를 들어, 하우징(102) 등)을 포함할 수 있고 그에 따라 여기서는 더 상세히 설명되지 않는다.
[00148] 예에서, 시스템(100m)의 레이저-전송 압입 툴(10m)은 피가공물(W)의 재료 경도를 테스팅하기 위해 (나노, 마이크로 또는 매크로 레벨로) 압입한다. 재료 경도 테스트는 상승된 온도들에서의 재료 거동, 안정성 및 경도를 결정하기 위해 실온에서 또는 실온 부근(예를 들어, 72°F)에서 수행될 수 있다.
[00149] 도 23의 시스템(100l)과 마찬가지로, 시스템(100m)은, 하우징(102)의 하류 단부(102D)로부터 연장되는 툴 샤프트(156)를 포함한다. 로드-인가 액추에이터(158)는 툴 샤프트(156)에 조인될 수 있고 변위 센서(160)는 툴 샤프트(156)를 중심으로 배열될 수 있다. 로드-인가 액추에이터(158)는 툴 샤프트(156)를 피가공물(W)을 향해 플런징하도록 작동된다. 변위 센서(160)는 레이저-전송 압입 툴(10m)이 피가공물(W)로 구동되고 그것을 압입한 결과 피가공물(W)을 향하는 플런징 방향으로의 툴 샤프트(156)의 이동량을 검출한다. 변위 센서(160)는 툴 샤프트(156)의 이동량 및 툴 샤프트(156)의 이동량과 연관된 피가공물(W)의 재료의 대응하는 경도를 디스플레이 상에 디스플레이하기 위해 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결된다.
[00150] 시스템(100m)은, 예를 들어, 하우징(102) 내에 배열되는 빔 스플리터 또는 레이저 빔 반사 미러(164) 및 전하 커플링 디바이스(charge coupled device)(CCD) 또는 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor)(CMOS) 카메라(162)를 또한 포함할 수 있다. CCD 카메라(162)는 라만 분광(Raman spectroscopy)을 수행하기 위해 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결되어, 레이저 빔(L)이 또한 레이저 빔 반사 미러(164)에 의해 CCD 카메라(162)를 향해 다시 반사되어, 레이저 빔(L)의 산란된 광선들(ΦA, ΦR1, ΦR2)의 이미지들을 캡처하여 압입 프로세스 동안 피가공물(W)의 특성화 재료를 인-시추(in-situ)로 수행한다.
[00151] 다수의 구현들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이에 따라, 다른 구현들은 다음의 청구범위의 범주 내에 있다. 예를 들어, 청구범위에서 열거된 액션들은 상이한 순서로 수행될 수 있고 여전히 바람직한 결과들을 달성한다.

Claims (29)

  1. 피가공물(workpiece)(W)을 기계가공하기 위한, 레이저-전송 기계가공 툴(laser-transmitting machining tool)(10)로서,
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)은,
    입구면(entrance face)(12), 레이크면(rake face)(14), 상기 레이크면(14)에 연결되는 플랭크면(flank face)(16), 상기 입구면(12)과 상기 레이크면(14) 사이에서 연장되는 레이크 측면(rake side face)(18), 및 상기 입구면(12)과 상기 플랭크면(16) 사이에서 연장되는 플랭크 측면(20)을 갖는 재료의 본체(body)를 포함하고,
    상기 플랭크면(16)에의 상기 레이크면(14)의 연결부는 절삭 날(cutting edge)(22)을 규정하고,
    상기 입구면(12)은 레이저 빔(L)을 수신하고 상기 레이저 빔(L)을 상기 레이크면(14), 상기 플랭크면(16), 및 상기 절삭 날(22)로 굴절시켜서, 상기 레이저 빔(L)이 적어도 상기 레이크면(14)에 근접하게 연장되는 압축 영역(WC) 및 상기 플랭크면(16)에 근접하게 연장되는 인장 영역(tensile region)(WT)에서의 상기 피가공물(W)로 굴절되게 하고 상기 피가공물(W)을 가열하게 하도록 구성되고,
    레이크 각도(θ14)는 상기 레이크면(14)과 상기 레이크 측면(18)에 의해 형성되는 내각(internal angle)로 규정되며, 상기 레이크면(14)은 상기 레이크 각도(θ14)를 규정하도록 상기 레이크 측면(18)으로부터 멀리 연장되고,
    플랭크 각도(θ16)는 상기 플랭크면(16)과 상기 플랭크 측면(20)에 의해 형성되는 내각으로 규정되며, 상기 플랭크면(16)은 상기 레이크 각도(θ14)에 대한 상기 플랭크 각도(θ16)를 규정하도록 상기 플랭크 측면(20)으로부터 멀리 연장되고,
    상기 레이크 각도(θ14)는,
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 제 1 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 제 1 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도(highly negative rake angle);
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 1 압축보다 작은 제 2 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 1 인장보다 큰 제 2 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도(midrange negative rake angle);
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 2 압축보다 작은 제 3 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 2 인장보다 큰 제 3 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도(low-range negative rake angle);
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 3 압축보다 작은 제 4 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 3 인장보다 큰 제 4 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 제로 레이크 각도(zero rake angle); 및
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 4 압축보다 작은 제 5 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 4 인장보다 큰 제 5 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 포지티브 레이크 각도(positive rake angle)를 포함하는, 레이크 각도들 중의 하나인,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 압축을 갖는 압축 영역(WC), 상기 제 2 압축을 갖는 압축 영역(WC), 상기 제 3 압축을 갖는 압축 영역(WC), 상기 제 4 압축을 갖는 압축 영역(WC) 및 상기 제 5 압축을 갖는 압축 영역(WC) 각각은 상기 절삭 날(22)을 따라 또한 연장되는,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제 5 인장을 갖는 인장 영역(WT), 상기 제 4 인장을 갖는 인장 영역(WT), 상기 제 3 인장을 갖는 인장 영역(WT), 상기 제 2 인장을 갖는 인장 영역(WT) 및 상기 제 1 인장을 갖는 인장 영역(WT) 각각은 상기 절삭 날(22)을 따라 또한 연장되는,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 고도 네거티브 레이크 각도는 상기 중간범위 네거티브 레이크 각도, 상기 저범위 네거티브 레이크 각도, 상기 제로 레이크 각도 및 상기 포지티브 레이크 각도 각각보다 더 작은,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 고도 네거티브 레이크 각도는 90°보다 더 크고 135°보다 더 작고, 상기 중간범위 네거티브 레이크 각도는 136°보다 더 크고 165°보다 더 작고, 상기 저범위 네거티브 레이크 각도는 166°보다 더 크고 179°보다 더 작은,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제로 레이크 각도는 180°인,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 포지티브 레이크 각도는 181°보다 더 크고 210°보다 더 작은,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 재료는, 다이아몬드, 사파이어, 탄화물, 입방정 붕소 질화물(cubic boron nitride)(CBN), 규소, 질화물들, 강들, 합금들, 세라믹들, 알루미나, 결정들 및 유리 복합체들로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 재료는 다이아몬드를 포함하고, 상기 레이크 각도(θ14)는 상기 고도 네거티브 레이크 각도, 상기 중간범위 네거티브 레이크 각도 또는 상기 저범위 네거티브 레이크 각도를 규정하도록 크기가 정해지고, 상기 레이저 빔(L)에 대해 상기 입구면(12)에 의해 규정되는 여유 각도(relief angle)(θ i )는 5°인,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 재료는 사파이어를 포함하고, 상기 레이크 각도(θ14)는 상기 고도 네거티브 레이크 각도, 상기 중간범위 네거티브 레이크 각도 또는 상기 저범위 네거티브 레이크 각도를 규정하도록 크기가 정해지고, 상기 레이저 빔(L)에 대해 상기 입구면(12)에 의해 규정되는 여유 각도(θ i )는 7°인,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 재료는 다이아몬드를 포함하고, 상기 레이크 각도(θ14)는 상기 제로 레이크 각도를 규정하도록 크기가 정해지고, 상기 레이저 빔(L)에 대해 상기 입구면(12)에 의해 규정되는 여유 각도(θ i )는 7°인,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 입구면(12) 위에 배치되는 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)(32)을 더 포함하는,
    레이저-전송 기계가공 툴(10).
  13. 피가공물(W)을 기계가공하기 위한, 시스템(100)으로서,
    레이저-전송 기계가공 툴(10)로서, 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)은, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22)을 규정하기 위해 플랭크면(16)에 연결되는 레이크면(14)을 포함하는 복수의 면들(12 내지 20)을 갖는 재료의 본체를 포함하고, 레이크 각도(θ14)는 상기 레이크면(14)과 상기 복수의 면들(12 내지 20)의 측면(18)에 의해 형성되는 내각으로 규정되며, 상기 레이크면(14)은 상기 레이크 각도(θ14)를 규정하도록 상기 복수의 면들(12 내지 20)의 상기 측면(18)으로부터 멀리 연장되고,
    상기 레이크 각도(θ14)는:
    상기 피가공물(W)의 압축 영역(WC)이 제 1 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 인장 영역(WT)이 제 1 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 제 1 압축보다 작은 제 2 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 1 인장보다 큰 제 2 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 2 압축보다 작은 제 3 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 2 인장보다 큰 제 3 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 3 압축보다 작은 제 4 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 3 인장보다 큰 제 4 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 제로 레이크 각도; 및
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 4 압축보다 작은 제 5 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 4 인장보다 큰 제 5 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 포지티브 레이크 각도를 포함하는, 복수의 레이크 각도들 중 하나이고,
    상기 복수의 면들(12 내지 20)은 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구 단부(24) 및 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26)를 규정하고, 상기 레이저 빔 출구 단부(26)는 상기 레이크면(14), 상기 플랭크면(16) 및 상기 절삭 날(22)에 의해 규정되는, 레이저-전송 기계가공 툴(10);
    상류 단부(102U) 및 하류 단부(102D)를 갖는 하우징(102)으로서, 상기 하우징(102)의 상기 하류 단부(102D)는 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 출구 단부(26)에 광학적으로 연결되는, 하우징(102); 및
    레이저 생성기(104)를 포함하며,
    상기 레이저 생성기(104)는 상기 하우징(102)의 상기 상류 단부(102U)에 광학적으로 연결되어, 상기 레이저 생성기(104)에 의해 생성되는 레이저 빔(L)을 상기 하우징(102)의 상기 상류 단부(102U)로부터 상기 레이저 빔 입구 단부(24)로, 상기 재료의 본체를 통해, 그리고: 상기 절삭 날(22); 및 상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로, 광학적으로 전달하는,
    시스템(100).
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 하우징(102)은,
    옵틱스(optics)(108, 110); 및
    옵틱스 인터페이스(112, 114)를 포함하고,
    상기 옵틱스(108, 110)는 적어도 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(108) 및 일련의 포커싱 렌즈(110)를 포함하고, 상기 콜리메이팅 렌즈(108)는 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 입구 단부(24)에 의해 수신되기 전에 상기 레이저 빔(L)을 콜리메이팅하기 위해 상기 레이저 생성기(104)에 광학적으로 연결되고, 상기 일련의 포커싱 렌즈(110)는 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 입구 단부(24)에 의해 수신되기 전에 상기 레이저 빔(L)을 포커싱하기 위해 상기 콜리메이팅 렌즈(108)에 광학적으로 연결되고, 상기 옵틱스 인터페이스(112, 114)는, 상기 레이크면(14) 또는 상기 플랭크면(16)을 향해 상기 레이저 빔(L)의 광선들(ΦR1, ΦR2)을 선택적으로 바이어싱하기 위해 상기 레이저 빔(L)의 직경(Φ) 및 초점 평면을 조정하는, 상기 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 포커싱 노브(focusing knob)(112)를 포함하고, 상기 옵틱스 인터페이스(112, 114)는, 상기 레이저 빔(L)이 상기 콜리메이팅 렌즈(108)를 빠져나갈 때 레이저 빔(L)의 각도를 변경하는, 상기 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 하나 이상의 빔 위치결정 스테이지들(114)을 포함하는,
    시스템(100).
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 옵틱스(108, 110)에 연결되는 X축 마이크로미터 조정 노브(124);
    상기 옵틱스(108, 110)에 연결되는 Y축 마이크로미터 조정 노브(126); 및
    상기 옵틱스(108, 110)에 연결되는 Z축 마이크로미터 조정 노브(128)를 더 포함하고,
    상기 X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128)은 상기 레이크면(14) 또는 상기 플랭크면(16)을 향해 상기 레이저 빔(L)의 광선들(ΦR1, ΦR2)을 선택적으로 바이어싱하기 위해 상기 옵틱스(108, 110)에 연결되는,
    시스템(100).
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 하우징(102) 내에 포함되는 옵틱 서브-하우징(optic sub-housing)(101)을 더 포함하고,
    상기 옵틱 서브-하우징(101)은 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 입구 단부(24)로의 상기 레이저 빔(L)의 진입을 조정하기 위한 3차원 XYZ 좌표계의 X방향, Y방향 또는 Z방향 중 임의의 방향으로 상기 옵틱 서브-하우징(101) 내에 포함되는 상기 옵틱스(108, 110)를 조정하기 위한 공간 조정 디바이스(111)로 상기 하우징(102)에 연결되는,
    시스템(100).
  17. 제13 항에 있어서,
    노즐(141)의 밖으로 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 출구 단부(26)로 전달되는, 공급부 또는 저장소 내에 포함되는 열-활성화된 또는 레이저-활성화된 절삭 유체, 슬러리 또는 에천트(etchant)(137); 및
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 출구 단부(26) 위에 배치되어야 하는 상기 열-활성화된 또는 레이저-활성화된 절삭 유체, 슬러리 또는 에천트(137)의 양을 제어하기 위해 상기 공급부 또는 저장소에 유체 연결되는 펌프 및 밸브 중 하나 이상을 포함하는 액추에이터(143)를 더 포함하는,
    시스템(100).
  18. 제13 항에 있어서,
    제2 레이저 생성기(104)를 더 포함하며,
    상기 제2 레이저 생성기(104)는 상기 하우징(102)의 상기 상류 단부(102U)에 광학적으로 연결되어, 상기 제2 레이저 생성기(104)에 의해 생성되는 제2 레이저 빔(L)을 상기 하우징(102)의 상기 상류 단부(102U)로부터 상기 레이저 빔 입구 단부(24)로, 상기 재료의 본체를 통해, 그리고: 상기 절삭 날(22); 및 상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로, 광학적으로 전달하는,
    시스템(100).
  19. 제15 항에 있어서,
    빔 정렬 소프트웨어를 포함하는 가시 빔 이미징 카메라(visible beam imaging camera)(130); 및
    상기 가시 빔 이미징 카메라(130)에 연결되는 컴퓨터 워크스테이션(computer workstation)(132)을 더 포함하고,
    상기 가시 빔 이미징 카메라(130)는 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통해 전파하는 가시 교정 광 빔(L)을 이미징하고, 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통해 전파하는 가시 교정 광 빔(L)의 이미지를 상기 빔 정렬 소프트웨어로 전달하고, 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통과하는 가시 교정 광 빔(L)이 정렬되지 않은 것으로 상기 빔 정렬 소프트웨어가 결정할 때, 상기 빔 정렬 소프트웨어는 상기 X축, Y축 및 Z축 마이크로미터 조정 노브들(124, 126, 128) 중 하나 이상의 마이크로미터 조정 노브의 조정 또는 회전과 연관되는 제안된 최적화 값 또는 명령들을 디스플레이 상에 디스플레이하기 위해 상기 컴퓨터 워크스테이션에 명령들을 제공하는,
    시스템(100).
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 절삭 날(22)을 통과하는 레이저 빔(L)의 출력 전력을 측정하기 위해 상기 컴퓨터 워크스테이션(132)에 연결되는 에너지 계량기(energy meter) 또는 전력 계량기(power meter)(134)를 더 포함하는,
    시스템(100).
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)을 통과하는 레이저 빔(L)을 정렬시키기 위해 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 배향 각도(orientation angle) 또는 지오메트리(geometry)를 검출하기 위해 상기 컴퓨터 워크스테이션에 연결되는 빔 프로파일러(136)를 더 포함하는,
    시스템(100).
  22. 제13 항에 있어서,
    상기 하우징(102)에 연결되는 정밀 툴 높이 조정기(116)를 더 포함하는,
    시스템(100).
  23. 제13 항에 있어서,
    상기 하우징(102)에 연결되는 스마트 스위블 시스템(smart swivel system)(118)을 더 포함하는,
    시스템(100).
  24. 제13 항에 있어서,
    상기 하우징(102)에 연결되는 분리식 회전 베어링 시스템(isolated rotary bearing system)(120); 및
    상기 레이저 빔 입구면(12)의 다수의 위치들로 상기 레이저 빔(L)을 전달하기 위해 상기 하우징(102)의 상기 하류 단부(102D) 내에 배치되고 그에 가까이 배열되는 빔 스플리터(beam splitter)(122, 146)를 더 포함하는,
    시스템(100).
  25. 피가공물(W)을 기계가공하는, 방법으로서,
    레이저 생성기(104)로부터 레이저 빔(L)을 전송하는 단계;
    상기 레이저 생성기(104)에 광학적으로 연결되는, 하우징(102)의 상류 단부(102U)에서 상기 레이저 빔(L)을 수신하는 단계;
    하우징(102)의 하류 단부(102D)에 광학적으로 연결되는, 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 입구 단부(24)를 규정하는 레이저 빔 입구면(12)에서 상기 레이저 빔(L)을 수신하는 단계;
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 입구 단부(24)와 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이저 빔 출구 단부(26) 사이에서 연장되는, 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 재료의 본체를 통해 상기 레이저 빔(L)을 전송하는 단계;
    상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 절삭 날(22) 및 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 레이크면(14)과 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 플랭크면(16) 중 하나 또는 양자 모두의 밖으로 상기 레이저 빔(L)을 선택적으로 지향시키는 단계를 포함하고,
    상기 절삭 날(22), 상기 레이크면(14) 및 상기 플랭크면(16)은 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 레이저 빔 출구 단부(26)를 규정하고,
    레이크 각도(θ14)는 상기 레이크면(14)과 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 측면(18)에 의해 형성되는 내각으로 규정되며, 상기 레이크면(14)은 상기 레이크 각도(θ14)를 규정하기 위해 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 측면(18)으로부터 멀리 연장되고,
    상기 레이크 각도(θ14)는:
    상기 피가공물(W)의 압축 영역(WC)이 제 1 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 인장 영역(WT)이 제 1 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 고도 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 1 압축보다 작은 제 2 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 1 인장보다 큰 제 2 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 중간범위 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 2 압축보다 작은 제 3 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 2 인장보다 큰 제 3 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 저범위 네거티브 레이크 각도;
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 3 압축보다 작은 제 4 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 3 인장보다 큰 제 4 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 제로 레이크 각도; 및
    상기 피가공물(W)의 상기 압축 영역(WC)이 상기 제 4 압축보다 작은 제 5 압축을 갖는 압축 영역(WC)이 되게 하고 상기 피가공물(W)의 상기 인장 영역(WT)이 상기 제 4 인장보다 큰 제 5 인장을 갖는 인장 영역(WT)이 되게 하는 포지티브 레이크 각도를 포함하는, 복수의 레이크 각도들 중 하나인,
    방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(L)은, 상기 레이저 빔(L)의 중심 축(LA-LA)을 따라 연장되는 중심 광선(ΦA), 상기 레이저 빔(L)의 상기 중심 축(LA-LA)으로부터 제1 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되는 제1 원주방향 어레이(first circumferential array)의 광선들(ΦR1) 및 상기 레이저 빔(L)의 상기 중심 축(LA-LA)으로부터 제2 반경방향 거리로 멀어지도록 배열되어 상기 제2 반경방향 거리가 상기 제1 반경방향 거리보다 더 큰 적어도 하나의 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2)을 갖는 직경(Φ)에 의해 규정되고,
    상기 레이저 빔(L)을 선택적으로 지향시키는 단계는,
    상기 레이저 빔(L)의 상기 중심 광선(ΦA)을 상기 레이저-전송 기계가공 툴(10)의 상기 절삭 날(22)의 밖으로 지향시키는 단계; 및
    상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나를 향해 상기 레이저 빔(L)의 상기 제1 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1)과 상기 레이저 빔(L)의 상기 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2) 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계를 포함하는,
    방법.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나를 향해 상기 레이저 빔(L)의 상기 제1 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1)과 상기 레이저 빔(L)의 상기 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2) 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는,
    상기 레이저 빔(L)의 상기 직경(Φ) 및 초점 평면을 조정하는, 상기 하우징(102) 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 포커싱 노브(112)를 조정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  28. 제26 항에 있어서,
    상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나를 향해 상기 레이저 빔(L)의 상기 제1 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1)과 상기 레이저 빔(L)의 상기 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2) 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는,
    상기 레이저 빔(L)이 상기 하우징(102) 내에 배치되는 콜리메이팅 렌즈(108)를 빠져나갈 때 레이저 빔(L)의 각도를 변경하기 위해 상기 하우징(102) 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 하나 이상의 빔 위치결정 스테이지들(114)을 조정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  29. 제26 항에 있어서,
    상기 레이크면(14)과 상기 플랭크면(16) 중 하나를 향해 상기 레이저 빔(L)의 상기 제1 원주방향 어레이의 광선들(ΦR1)과 상기 레이저 빔(L)의 상기 제2 원주방향 어레이의 광선들(ΦR2) 중 하나 또는 양자 모두를 바이어싱하는 단계는,
    옵틱스(108, 110)에 연결되는 Y축 마이크로미터 조정 노브(126), X축 마이크로미터 조정 노브(124), 및 상기 하우징(102) 내에 배치되는 일련의 포커싱 렌즈(110)에 연결되는 Z축 마이크로미터 조정 노브(128) 중 하나 이상을 조정하는 단계를 포함하는,
    방법.
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