KR20170049622A - 피가공물 가공, 특히 절삭공구 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 장치로부터의 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하기 위해, 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 피가공물과 레이저 장치의 상대 위치를 결정하고 상기 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 및/또는 연소시킴으로써 소정 정의에 따라서 상기 피가공물 재료를 제거하는 피가공물 가공 방법은, 상기 레이저 장치 내의 가변 광학 소자, 특히 조정 미러를 이용하여, 기계적 제어축의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해서 상기 피가공물 표면 위로 유도하여 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하는 제1 제거 단계; 및 바람직하게는 상기 레이저 빔을 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하는 제2 제거 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있다.

Description

피가공물 가공, 특히 절삭공구 제조 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MACHINING A WORKPIECE, PARTICULARLY FOR PRODUCING CUTTING TOOLS}

본 발명은 예컨대 다이아몬드 절삭날이 있는 절삭공구를 제조하는데 이용될 수 있는 피가공물 가공 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1a와 1b는 관계도로서 도면부호 10은 피가공물이다. 도 1a는 제조 중의 그 사시도이고 도 1b는 단면도이다. 도 1b에서, 도면부호 19는 적당히 원하는 대로 성형된 금속 기체(basic body)를 나타낸다. 이 금속 기체에는 분리선(15)이 사이에 있는 영역들(14, 16)을 포함하는 인공 다이아몬드층이 코팅되어 있다. 이 다이아몬드층은 기제 블랭크(manufactured blank)(19)에 도포되어 왔으며, CVD(Chemical Vapor Deposition) 다이아몬드층이나 PKD(Polycrystalline Diamond) 다이아몬드층일 수 있다. 작업을 종료하면 이 층의 두께는 가장 최근에 요구되는 두께보다 크며, 절삭공구의 절삭날을 비롯한 가장 최근에 요구되는 형태는, 절삭날 형태를 포함한 최종적으로 원하는 형태를 얻을 때까지 레이저 제거기를 이용하여 잉여 다이아몬드재를 제거하여 제작된다.

도 1a는 절삭공구의 일부 사시도이다. 상부 영역은 이미 완전히 제작되어 있으며, 도면부호 11은 절삭공구의 절삭날로서, 도시된 바와 같이 가공단계에서 이미 준비되어 있다. 최종적으로 원하는 형태로 된 절삭공구의 측면은 잉여 다이아몬드재를 제거하여 하방으로 더 가공되어야 하는 것으로 가정한다. 도 1b에서, 이는 재료(14)가 블랭크의 외측으로부터 경계(15)쪽으로 제거되는 것, 즉, 도면에 대해 평행하며 수직으로 적층된 층에서 이루어지는 프로세스를 의미한다. 도 1a에서, 이는 레이저빔(13)을 잉여재의 접근가능면 위로 안내하여 이 재료를 액화시키고 기화시키거나(액적의 증기 방출) 연소시키킴으로써 실시된다.

레이저빔(13)의 접극가능한 피가공물면 위로의 안내는, 나란한 수 개의 선이 제거된 층을 함께 덮도록 순차적으로 진행되도록 스트립들에서 실시된다. 도 1a와 1b에서, 이들 스트립은 도면부호 51로 나타내며, 제거되어야 할 층은 파선(17)으로 나타낸다. 재료의 층은, 나란하며 서로 인접한 수 개의 스트립을 이용하여 제거되며, 수 개의 층(도 1a에서는 도면에 수직인 z 방향으로 적층되어 있음)을 제거함으로써 블랭크로부터 피가공물의 최종 형태가 만들어진다.

도 2a는 레이저 가공기를 도시한 것이다. 도면부호 10은 피가공물을 나타내며, 25는 피가공물로 향하는 집속 레이저빔(13)이 나오는 레이저 장치를 나타낸다. 24는 피가공물대이고, 23은 기기 지지대이다. 22a와 22b는 레이저 장치와 피가공물 간의 상대 위치(x, y, z)를 3차원적으로 조정할 수 있고 피가공물과 레이저 장치의 상대적 정렬(phi, psi)도 자유롭게 조정할 수 있는 병진 및/또는 회전 제어축이다. 기기 종류와 적합성에 따라서는 이 제어축은 기기 프레임(21)과 피가공물대(24) 사이 및/또는 기기 프레임(21)과 장치 홀더(23) 사이에 구비될 수 있다. 축은 중복적으로 구비될 수 있다. 적어도 3개의 병진 제어축과 2개의 회전 제어축을 구비하는 것이 바람직하다.

도면부호 26은 프로세스 파라미터를 검출하는 센서를 총괄적으로 나타낸다. 이 센서들은 피가공물의 가공 작업 중에 피가공물을 직접적으로 검출하도록 설계될 수 있으며, 선택적으로, 피가공물을 마무리 정도(finishing accuracy)에 대응하는 해상도로 3차원적으로 측정할 수도 있다. 27은 제어 시스템을 나타낸다. 이 제어 시스템은 더 큰 또는 작은 네트워크에 연결될 수 있는 디지털 처리 컴퓨터일 수 있다. 이 제어 시스템은 한편으로는 레이저 장치(25)에 대한 제어 신호를, 다른 한편으로는 제어축(22)에 대한 제어 신호를 발생하는데 필요한 데이터는 물론 다른 여러 가지 데이터도 저장하는 메모리(28)에 연결되어 있다. 29는 제어 시스템(27)과 기기(20) 간의 인터페이스를 나타낸다. 이 인터페이스는 한편으로는 신호 및/또는 (스위치드(switched), 키드(keyed)) 출력용 라인을 포함하며, 이에 더하여, 포맷 변환, 아날로그-디지털 변환, 디지털-아날로그 변환 등을 위한 변환 장치(미도시)도 포함한다.

도 2b에는 레이저 장치(25)가 도시되어 있다. 이 레이저 장치는 기기 제어 시스템을 제어하면서 레이저 빔을 피가공물의 표면 위로 유도하도록, 특히 도 1a에 도시된 스트립(51) 위로 진행하도록 되어 있다. 이는 제어가능하고 조정가능한 조정 미러(25a)를 통해 2차원적으로 실시될 수 있다. 더욱이, 한편으로는 (도 1a에서 z 방향에서) 작업 진행까지, 다른 한편으로는 레이저 편향의 경우에 크라운(crown)까지 레이저 빔(13)의 초점 위치를 추적하는 초점 조정부(25b)("z-시프터")가 구비될 수 있다.

그러나, 다이아몬드 코팅을 가진 절삭공구와 같이 고정밀도로 피가공물을 가공하는 경우에는, 지금까지도 빔유도용 광학 소자(조정 미러)가 이용되지 않았다. 대신에 기기(20)의 기계적 제어축(22a, 22b)이 이용되어, 레이저 빔(13)이 레이저 장치(25)로부터 이 레이저 장치(25)에 대해 정지된 상태로 발생되었다.

조정 미러(25a)에 의한 레이저의 빔 유도는 비교적 빠르다는 점에서 이점을 갖고 있다. 이러한 빔 유도에 의해, 스트립 유도 속도(피가공물 표면 상의 레이저 충돌 지점의 이동 속도)를 1 m/s부터 10 m/s 이상까지 조정할 수 있다. 그러나, 이 광학 빔 유도의 단점은 동적으로는(dynamic-wise) 다소 부정확하며, 특히 대개는 요구되는 공차를 벗어난다는 것이다. 반면에, 레이저 장치(25)와 피가공물(10) 간의 상대적 유도가 조정 미러(25a)가 아니라 (기기 프레임(21)과 장치 지지대(23) 사이 및/또는 기기 프레임(21)과 피가공물대(24) 사이에 구비된 병진 및/또는 회전식) 기계적 제어축(22a, 22b)을 통해 이루어지는 경우에는 빔 유도는 훨씬 정확하기는 하나 현저하게 더 느리게 된다. 이 경우, 수 마이크로미터까지의 정밀도가 가능하다. 그러나, 기계적 유도의 경우에는 속도가 현저히 느리다. 이 속도(피가공물 표면 상의 레이저 충돌 지점의 스트립 유도 속도)는 보통은 10 mm/s 미만이다. 따라서, 속도는 광학식 빔 유도보다는 적어도 100배 이상 느리기 때문에 피가공물의 가공이 매우 길어지게 된다.

절삭공구와 같은 피가공물의 경우에는 마무리된 기하학적 형태의 정밀도가 높은 것이 바람직하므로, 레이저를 이용하여 피가공물을 가공할 때에, 원하는 정밀도를 얻기 위해서는 레이저 빔 유도를 위해 조정 미러(25a) 대신에 기계적 제어축(22a)을 이용할 필요가 있다. 제거될 재료량이 비교적 적다면 비교적 느린 따라서 오래 지속되는 작업이 더 편할 것이다. 다이아몬드가 구비된 절삭공구의 경우에는, 예컨대 다이아몬드 코팅은 CVD 코팅으로 이루어지는데, 이는 그렇게 해서 제조된 블랭크 코팅이 비교적 얇고 재료 돌출량이 적고, 따라서 제거될 부피가 비교적 적기 때문이다.

그러나, 제거될 재료량이 비교적 많은 피가공물은 기계적 제어축을 통해 고정밀도로 가공하는 것이 바람직한 것으로 드러났다. 다이아몬드 코팅을 가진 절삭공구의 경우에는 이 다이아몬드 코팅은 예컨대 PDK 코팅이며, 그 두께는 CD 다이아몬드 코팅보다 훨씬 두꺼우며, 따라서 제거해야 할 량이 더 많다. 여기서, 레이저 빔을 유도하기 위해 기계적 제어축을 이용하면 제작 기간이 예외적인 경우에만 용인될 수 있을 정도로 길어진다.

EP 2314412 A2는 소정 윤곽을 가진 불랭크를 제공하는 레이저 가공기를 개시하고 있는데, 이 레이저 가공기는 레이저 빔 펄스를 발생하는 레이저, 레이저의 레이저 빔 펄스를 블랭크 상의 소정 펄스 영역 내에서 서로 이격된 소정 충돌 지점으로 유도하는 편향 장치, 및 블랭크와 펄스 영역 간의 상대 운도을 실시하는 위치 설정 장치를 포함하며, 이 상대 운동은 가공될 에지 및/또는 영역을 따라 상대 운동 방향으로 진행한다.

본 발명의 목적은 피가공물을 빠르면서도 매우 정밀하게 가공할 수 있는 레이저 가공법과 레이저 가공기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립 청구항의 특징부에 따라 달성될 수 있다. 독립 청구항은 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한 것이다.

일반적으로, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 기공하는 방법이 제공된다. 본 방법은 서로 다른 가중치를 가진 광학적 빔 유도와 기계적 빔 유도를 이용하는 2개의 서로 다른 제거 단계를 갖고 있으며, 예컨대, 제1 단계에서는 적어도 광학적 빔 유도가 이용되며, 선택적으로 기계적 빔 유도도 함께 이용될 수 있고, 제2 제거 단계에서는 바람직하게는 기계적 빔 유도만이 이용된다.

레이저 장치로부터의 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하기 위해, 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 피가공물과 레이저 장치의 상대 위치를 결정하고 상기 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 및/또는 연소시킴으로써 소정 정의에 따라서 상기 피가공물 재료를 제거하는 피가공물 가공 방법은, 가변 광학 소자, 특히 상기 레이저 장치 내의 조정 미러를 이용하여, 기계적 제어축의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해서 상기 피가공물 표면 위로 유도하여 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하는 제1 제거 단계; 및 바람직하게는 상기 레이저 빔을 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하는 제2 제거 단계를 포함하고, 상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있다.

제1 제거 단계를 이용하면 피가공물의 최종 표면으로부터 다소 멀리 떨어져 있고 그리고/또는 이 표면 상에 바로 접하지 않은 영역들을 제거할 수 있고, 제2 제거 단계를 이용하면 피가공물의 최종 표면에 바로 접하고 가까이 있는 영역들을 제거할 수 있다.

이 2가지 제거 단계를 이용하면, 잉여 재료가 최종적으로 원하는 피가공물 표면에서 멀리 떨어져 있다면 제1 제거 단계에서 빔 유도(레이저 장치 내의 조정 미러)를 이용하여 레이저 충돌 지점과 피가공물 간의 상대 운동 대부분을 동적으로 발생시킴으로써 잉여 재료 대부분이 비교적 빠르게 제거될 수 있고, 반면에, 잉여 재료가 최종 표면과 그 가까이에 있다면 제2 제거 단계에서 고정된 또는 바이패스된 광학적 빔 유도와 함께 (기기의 제어축을 이용한) 기계적 빔 유도를 이용하여 표면 가까이 있는 피가공물을 느리지만 정확하게 가공할 수 있다.

피가공물을 가공하기 위한 레이저 가공기는, 복수 층으로 이루어진 피가공물 재료를 제거하기 위한 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 및/또는 연소시킴으로써 피가공물 제조를 위한 소정 정의에 따라서 상기 레이저 빔을 유도하는 레이저 장치; 피가공물을 고정하는 피가공물대; 피가공물과 레이저 장치의 상대 위치와 지지의 병진 및 회전 조정을 위한 복수의 제어축; 및 상기 레이저 장치와 상기 제어축에서의 레이저 빔 유도를 제어하는 제어 시스템을 포함한다.

상기 제어 시스템은, 제1 제거 단계에서, 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하기 위해 상기 레이저 장치 내의 가변 광학 소자, 특히 조정 미러를 이용하여, 기계적 제어축의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물(10)에 대해서 상기 피가공물 표면 위로 유도하고, 그리고 제2 제거 단계에서 바람직하게는 상기 레이저 빔을 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하도록 구성되고, 상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있다.

환언하면 또는 더 일반적으로 말하자면, 레이저 가공기와 특히 그 제어 시스템은 본 명세서에 기재된 가공 방법을 실시하도록 구성되어 있다.

관련 데이터를 저장하는 메모리(28)가 구비된다. 이 데이터는 한편으로는 레이저 장치(특히 그 내부의 가변 광학 소자)를, 다른 한편으로는 제어축(22a, 22b)을 제어하는데 필요한 파라미터이다. 이 데이터는 미리 생성되어 메모리(28)에 저장되어 있을 수 있으며, 또는 저장되어 있을 수 있는 상위 데이터로부터 실시간으로 생성될 수도 있다. 그 외에도, 메모리(28)는 필요한 동작을 실시하기 위한 프로그램을 구현하는 프로그램 데이터도 저장한다. 제어 시스템(27)은 특히 프로세스 센서(26)의 신호 수신과 프로세스에의 신호 출력을 위한 프로세스와의, 특히 기계적 축(22)과 레이저 장치(25)와의 인터페이스를 갖고 있다.

이하, 도면을 참조로 본 발명의 특징과 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 피가공물의 가공 상황과 절삭날 상태를 보여주는 도.
도 2는 레이저 가공기외 레이저 장치를 도시한 도.
도 3은 2단계 제거법의 실시예를 보여주는 도.
도 4는 이 단계들 중 적어도 한 단계에서의 누적적 제거의 일부를 보여주는 도.
도 5는 펄스형 레이저를 이용한 스트립 방식 진행을 보여주는 도.
도 6은 중첩하는 가공 부분들을 보여주는 도.
도 7은 2단계 제거법의 다른 실시예를 보여주는 도.
도 8은 도 7의 방법의 구현을 보여주는 도.

도 3은 제1 제거 단계에서는 광학적 빔 유도(기계적 빔 유도와 중첩될 수 있음)를 이용하고 제2 제거 단계에서는 기계적 빔 유만을 이용하는 2단계 제거법을 보여준다. 본 발명에 따른 2단계 제거법과 관련하여, 도 3은 다음과 같이 피가공물 표면의 평면도이다.

도 3은 도 1b에 대응한다. 도면부호 19는, 예컨대, 도시된 실시에에서, 코팅 다이아몬드층(14) 아래에 있기 때문에 가공되지 않은 금속 블랭크일 수 있으며, 16은, 예컨대, 도시된 실시예에서는 PKD 다이아몬드일 수 있다. 15는 가공 경계를 나타내는데, 이 지점으로부터 재료가 금속 코어(영역(14-1, 14-2))으로부터 제거될 것으며, 금속 코어(19)까지의 영역(16)은 남아 있을 것이다. 제거될 영역(14-1, 14-2)은 눈에 보이지 않는 경계(31)를 가진 2개의 독립적인 영역을 가지며, 이 경계(31)는 이 2개의 영역 사이에 제어 시스템(27)에 의해 구현된다. 제1 영역(14-1)에서는, 레이저 빔이 조정 미러(25a)에 의해 스트립(51)을 따라 현재 노출된 피가공물 표면 위에 유도되도록, 제1 제거 단게에서 가공이 실시된다. 도 1과 3에서, 이들 스트립(51)은 전제적으로 완전한 형태가 아니라 부분적으로 도시되어 있다.

도시된 실시예에서, 피가공물 표면 상의 레이저 빔의 스트립은 최종적으로 원하는 피가공물 외곽(라인(15)으로 나타냄)을 대략적으로 따르며, 따라서, 대개는 적어도 일부 영역에서 굽어 있다. 도시된 바와 같이, 층에서는 많은 스트립(51)이 나란히 놓여 있으며, 레이저를 이 스트립들 위로 차례로 주행시킴으로써 한 번에 하나의 재료 스트립을 (증발, 용융에 의해 도포된 재료의 증기 방출, 또는 연소/산화를 이용하여) 제거하여, 처음에는 한 개 층을 제거하고, 그 다음에, 반복하여, 층들 내의 재료들을 제거한다.

도 3에는 제1 제거 단계에 대응하는 영역(14-1)에서의 스트립이, 레이저 빔 유도에 의한 비교적 높은 동작 속도로 해 다소 부정확하게 배열될 수 있음을 보여준다. 제2 제거 단계에 대응하는 제2 영역(14-2)에서는, 레이저 빔(13)은 마찬가지로 스트립에서 피가공물 표면 위로 주행한다. 그러나, 이 경우에는, 조정 미러(25a)(힌지형 미러, 가변 광학 소자)에 의해서가 아니라 제어축(22a, 22b)의 작동에 의해서 레이저 빔 유도를 이용하여 적당한 및/또는 필요한 방식으로 상대 운동이 이루어진다. 이와 관련하여, 도 3에는, 제어축(22)을 통한 기계적 빔 유도가 매우 정밀하게 작동하기 때문에, 이들 스트립이 광학적 레이저 빔 유도의 경우보다 더 정확하게 관측되는 것을 보여준다.

대체로, 외부 영역(14-1)은 레이저 빔을 광학적으로 유도함으로써 최종적으로 언하는 것 만큼 정밀하지는 않지만 다소 빠르게 제거되고, 레이저 빔은 내부 영역(14-2)에서 기계적으로 유도되도록 하는 동작 모드가 수행되며, 따라서, 이러한 제거는 더 느리기는 하나 최종적으로 원하는 정밀도에 맞추어 매우 정밀하게 수행된다.

제2 영역(14-2)의 폭(D2)은 레이저 유도의 수 개의 스트립, 예컨대, 적어도 2개 또는 적어도 10개의 스트립, 및/또는 많아야 10개 또는 많아야 20개의 스트립에 대응할 수 있다. 그러면, 거기에 대해 영역(14-1)에서 바깥쪽에 있는 재료는 광학저 빔 유도에 의해 반드시 제거된다.

도 2b는 레이저 장치(25)의 실시예를 도시한 도이다. 이 레이저 장치(25)는 이 레이저 장치 내에 또는 그 외에 구비될 수 있는 레이저 발생원(미도시)으로부터 레이저 광(13a)을 수신한다. 레이저 장치(25)에서, 레이저 광은 먼저, 전자적으로 조정될 수 있는 초점 조정부(25b)를 통과할 수 있다. 이 초점 조정부에 의해, 레이저 광의 초점은 특히 재료의 표면 상의 원하는 z-위치로 이동되어 이 위치에 유지될 수 있다. 초점 조정부(25b)는 초점 위치가 피가공물 상의 레이저 스폿의 현재 위치에 따라서 언제라도 조정되어 이런 식으로 팔로워 업된다는 점에서 "고속"일 수 있다. 이는 제어된 방식으로 이루어지거나, 또는 이미 조정된 사양에 따라서 제어될 수 있다.

더욱이, 레이저 빔을 2차원적으로 편향시킬 수 있는 스캐닝 장치가 조정 미러(25a)로 구비된다. 여기서, 교차하는 특히 직교하는 축들에 대해 회전하는 및/또는 조정가능/제어가능한 회전하는 힌지형 미러가 관련될 수 있다. 이 조정성도, 레이저 빔이 피가공물 표면 상의 x 및 y 방향에서의 편향에 의해 원하는 스트립 의로 주행할 수 있다는 점에서 고속일 일 수 있다.

출구측/피가공물측에서, 레이저 장치(25)는 개구부 또는 빔 출구창(25e)을 가질 수 있다. 이 것은 포커싱 효과를 가질 수 있거나, 단순히 투명판이다.

제1 제거 단계에서, 조정 미러(25a)(일반적으로, 가변 광학 소자)는, 레이저 충돌 지점을 원하는 스트립을 따라 재료의 표면 위로 유도하도록 제어 시스템(27)에 의해 제어된다. 원하는 표면 영역의 커버리지를 얻기 위해서, 이는 사행(meandering) 왕복 운동, 또는 제거 중에는 일측으로 향하고, 선택적으로 현저하게 빠른 블링킹 또는 디포커스 복귀 주행로를 갖는 운동일 수 있다.

제2 제거 단계에서, 레이저 광은 조정 미러(25a)를 통해 주행할 수도 있지만, 이 조정 미러는 소정 위치에 고정되어 있다. 그럼에도 불구하고, 이 힌지형 미러를 통해 레이저 광을 유도하는 것도 가능하다. 이를 위해서는, 조정 미러(25a) 위의 광로에 광학 스위치(25c)가 구비될 수 있으며, 이 스위치도 제어 시스템(27)에 따라서 작동한다. 이 광학 스위치는 제1 동작 단계에서는 레이저 광(13a)을 조정 미러(25a)로 유도하고 제2 동작 단계에서는 레이저 광을 조정 미러(25a)를 통과시킨다. 조정 미러(25a)를 통과한 레이저 광은 다른 출구(25d)를 통해 방사되거나, 또는 전술한 것과 같은 출구를 통해 적당한 장치에 의해 방사될 수 있다. 제2 제거 단계에서 레이저 광을 조정 미러를 통과시키는 것은 조정 미러가 레이저 광 전력을 소모하지 않는다는 이점과 조정 미러가 정지해 상태에서는 위치 잡음을 일으키지 않는다는 이점이 있다.

도 4는 여러 가지 방식으로 형성될 피가공물의 가공에 특히 적합한 실시예를 보여준다. 일반적으로, 소정 공구를 이용하여 피가공물을 가공할 때에, 이 피가공물(10)은 적당한 방식으로 공구(25)쪽으로 돌려져야 한다. 이 것은 레이저 가공 작업 시에도 마찬가지이다. 게다가, 레이저 가공 시에는 가능하다면 피가공물에 의한 레이저 광의 음영과 피가공물에 대한 레이저 광의 바람직하지 못한 충돌각을 피해야 하는 것도 고려해야 한다. 더욱이, 레이저 장치의 작업창이 제약을 받는 다는 것도 고려해야 한다. 피가공물의 크기는 레이저 장치의 작업창보다 큰 경우가 대부분이다. 이러한 요건들을 모두 충족하기 위해서는 도 4에 나타낸 절차가 선택될 수 있다.

도 4a는 도 1b 및 3에 대응하는 도이다. 이 도에서, 역 V자형의 두꺼운 최하단선은 가공 경계를 나타내며, 그 위의 "평행한" 선들은 제1 및 제2 제거 단계 중에 소정 층의 레이저 유도부에 의해 유발된 유도 트랙(51)을 나타낸다.

이와 관련하여, 도 1b, 3 및 4a-4e는 제거될 단일층의 평면을 재차 보여주지만, 제거될 수 개 층의 단면을 보여주지는 않는다. 평행선은 수 개 층을 표현하는 것이 아니라 한 개 층의 수 개 스트립을 표현한 것이다. 대표적으로 도시된 층 이외의 다른 층은 도면 위 또는 아래에 있는 것으로 도면에 대해 평행한 것으로 생각해야 한다.

도 4a를 고려하면, 피가공물(10)과 레이저 장치(25) 간의 하나의 상대 위치로부터 이를 완전히 제작하는 것은 거의 불가능함은 명백하다. 레이저 장치(25)가 역 V형의 정점 위에 대칭적으로 배치되어 있다면, 둥근 에지의 정점 영역에서의 충돌 지점은 만족스럽스지만, 그 좌측과 우측에는 바람직하지 못한 그라인딩 컷(grinding cut)이 있을 것이다. 레이저 발생원이 좌측으로 이동했다면, 그 형태의 좌측 브랜치의 일측과 둥근 상에 대한 만족스러운 가공에 대한 타협점을 찾을 수 있을 것이다. 그러나 우측부의 가공은 더 나빠질 수 있으며, 음영이 있다면, 불가능할 수도 있다.

이 문제를 해결하기 위해, 피가공물을 분할하여, 독립적으로 가공되는 서로 접하는 또는 중첩하는 개별 영역들(41a, 41b, 41c)을 정의한다. (조정 미러(25a)에 의한) 광학적 레이저 유도의 경우에, 피가공물과 레이저 장치 사이의 각 영역에 대해 개별적으로 선택된 상대 위치와 상대 정렬을 채택하는 것이 바람직할 수 있다. 도 4b에서, 개별 영역 경계는 선으로 나타내며, X자 표시들(44a, 44b, 44c)은 각 개별 영역을 가공하기 위해 레이저 장치(25)의 상대 위치를 나타낸다.

더욱이, 개별 영역(41a, 41b, 41c)의 정의에 따라서 각 개별 영역에 (3차원적으로 정의된) 개별 기준점을 할당하는 식으로 진행하는 것도 가능하다. 도 4c에서, 개별 영역의 기준점들은 도면부호 42a, 42b 및 42c로 나타낸다. 기기에서 피가공물의 기존 클램핑을 이용하여, 기기 제어 시스템은 기기에 상대적인 위치에서 각 기준점을 결정하여, 그 때에 고려된 영역의 기준점(42)과 레이저 장치(25) 간의 상대 위치를 조정할 수 있다.

개별 영역들은 수동적으로 또는 자동적으로 결정될 수 있다. 이러한 결정은, 영역 경계가 있을 곳 또는 영역 경계가 없어야 할 곳에 대한 사양이 수동적으로 만들어 지도록, 그리고 이 사양을 고려하여 개별 영역의 실제 결정이 자동적으로 이루어지도록 부분적으로 자동화된 방식으로 이루어질 수도 있다. 예컨대, 피가공물의 절삭날 영역에는 영역 경계가 없는 것이 바람직한데, 이는 개별 영역 경계에서의 가공 정밀도는 개별 영역 내부보다도 작을 수 있기 때문이다. 다른 사양은 평면적 표면의 끝에, 즉, 표면이 곡선 영역으로 변하는 곳에는 영역 경계가 있어야 하는 것일 수 있다. 그러나, 예컨대 레이저 장치의 작업창의 크기, 피가공물에 의한 레이저 음영의 회피, 개별 영역에서의 피가공물 표면과 레이저 장치 간의 큰 거리차 또는 정렬차의 회피에 대한 추가 결정이 자동적으로 이루어질 수 있다.

기준점(42)의 할당도 수동적으로 또는 자동적으로 이루어질 수 있다. 수동적인 경우, 기준점은 예컨대 제거될 재료의 3차원 초점의 위치로서 선택될 수 있다. 이와 관련하여, 도 4c는 기준점이 피가공물 표면에 있는 것을 보여준다. 그러나 이는 극히 드문 경우이다. 보통은 피가공물의 내부에 기준점이 있을 것이다. 각 기준점에는 병진 기준 위치(x0i, y0i, z0i)와 회전 기준 정렬(phi0i, psi0i)이 할당된다. 레이저 장치와 각 개별 영역 간의 상대 위치가 조정되면, 기준 정령이 원하는 정렬이 되도록 기준 위치와 레이저 장치 간의 상대 위치가 조정된다.

제1 제거 단계에서 개별 영역(41a, 41b, 41c)의 가공 중에는, 기기의 기계적 제어축으로 조정된 기준 위치는 그대로 유지되며, 이에 기초하여, 원하는 결과를 얻을 때까지 조정 미러(25a)(가변 광학 소자)에 의해 레이저가 각 고려된 개별 영역 내의 피가공물 표면 위로 유도된다. 그렇게 하는데 있어, 절차는 처음에는 제1 제거 단계가 모든 개별 영역에 대해 완전히 실시되는 것일 수 있다. 그 다음에 제2 제거 단계가 모든 개별 영역에 대해 연속적으로 실시될 수 있다. 그러면, 개별 영역으로의 분할만이 제1 제거 단계에서 제거될 재료에 적용된다.

그러나, 예컨대 먼저 어떤 한 개별 영역에서 제1 제거 단계의 모든 층과 제2 제거 단계의 모든 층을 제거하고 그 후에 그 다음 개별 영역으로 돌아감으로써, 마찬가지로 분할을 위해 고려될 수 있는 개별 영역에 대해 제2 제거 단계가 개별적으로 실시될 수도 있다. 이와 관련하여, 제거 단계 중의 레이저 두께는 제2 제거 단계 중의 층 두께와 반드시 같을 필요는 없다. 레이저 파라미터에 따라서 레이저 두께는 다를 수 있다. 그러나, 어떤 한 층 내에서 피가공물(10)과 레이저 장치(25) 간의 기계적 상대 위치를 고정시킨 상태에서 먼저 제1 제거 단계가 직접적으로 잇따라 실시되고, 이어서 공학적 빔 유도를 고정시킨 상태에서 기계적 제어축(22)을 이용하여 제2 제거 단계가 실시되고, 그 후, 다음 층의 재가 개시되는 식으로 진행하는 것도 가능하다.

개별 영역(41)에 대한 기준점(42)을 정의한 후에, 각 개별 영역에서 기존 피가공물 정의(예컨대, CAD 데이터)로부터 필요한 량의 데이터를 추출하여 관리가능한 가공 프로그램부를 별도로 작성한다. 이 프로그램부는 도 4d1, 4d2 및 4d3에 도시되어 있다. 그러면, 가공 작업을 위해 각 영역을 특히 가공 작업 중의 상대 위치에 적합한 적당한 좌표계로 표현하기 위한 각 영역에 대한 좌표 변환이 있다. 이 새로운 좌표계는 도 4e1에서 도면부호 43으로 나타낸다. 도 4d2와 4d3의 개별 영역에 대해서도 동일한 절차가 행해질 것이다. 이런 식으로, 수 개의 독립적으로 실행가능한 가공 프로그램 또는 제어 세트가 얻어지며, 이는 적당한 좌표에서 얻을 수 있으며 각 부의 실행 시에 이용될 수 있다.

개별 영역(41a, 41b, 41c)로의 분할은 특히 제1 제거 단계에서의 광학적 빔 유도 중에 모든 피가공물 표면 영역에 대한 양호한 가공 조건을 얻을 수 있고, 따라서 이 표면 영역들이 바람직하고 효율적으로 가공될 수 있다는 이점이 있다.

전술한 바와 같이, 레이저 빔의 스트립 유도 속도(v)(피가공물 표면 상의 그 충돌 지점)는 제1 제거 단계와 제2 제거 단계 간에 현격하게 다를 수 있다. 제1 제거 단계 중에는 0,5 m/s 이상에서 8 m/s 이상의 속도가 일반적이지만, 제2 제거 단계 중에는 1 cm/s 미만의 속도가 일반적이다. 따라서, 양 단계 간에는 적어도 100배의 속도차가 있는 것이 사실이다. 그러면 영역 요소당 에너지 입력을 필요한 제어 출력에 맞추기 위해서 레이저 펄스 주파수가 조정될 수 있다.

제거 레이저 광은 보통은 예컨대 연속적인 정상 광이 아니라 개별적인 펄스를 방출하는 YAG 레이저와 같은 고체 레이저로부터의 펄스 레이저 광이다. 통상적인 펄스 주파수는 광학적인 빔 유도에서 약 10 kHz 이상이다(속도 v > 0.5 m/s 또는 > 1 m/s 또는 > 3 m/s). 느린 기계적 빔 유도의 경우에도 표면적당 에너지 입력을 제거에 필요한 출력에 맞추기 위해서 펄스 주파수를 그에 대응하여 감소시킬 수 있다.

펄스당 에너지가 적당한 정도로 조정될 수도 있다. 그러나, 펄스 주파수가 더 쉽게 조정될 수 있으며, 따라서, 펄스당 에너지는 제1 제거 단계와 제2 제거 단계에서 크게 다르지는 않다(기껏해야 3배 또는 2배차가 있다). 표면적당 에너지 입력을 조정하는 기본적인 제어 파라미터는 펄스 주파수이다. 펄스 주파수는 표면적당 에너지 입력이 저속 기계적 유도에서 정상적인 제거에 필요한 값을 얻도록 선택될 수 있다. 이와 관련하여 도 5는 몇 가지 고려 사항을 보여준다.

도면부호 51a, 51b 및 51c는 전술한 바와 같이 직선일 수 있으나 반드시 그럴 필요은 없는 인접 스트립을 나타낸다. 원들(52a, 52b, ..., 52y, 52z)은 피가공물 표면 상의 각 레이저 펄스의 충돌 지점을 나타낸다. 레이저 출력과 포커싱에 따라서는 충돌 지점은 예컨대 20 ㎛의 직경(d)을 가질 수 있다. (조정 미러(25a)를 통해 광학적으로 또는 기기(20)의 제어축(22a, 22b)을 통해 기계적으로) 공급 속도(v)의 조정과 펄스 주파수의 조정은 공급 방향에서 원하는 중첩(u1)을 만들어내도록 이루어질 수 있다. 이와 같은 고려사항은 스트립을 가로지르는 중첩(도 5에서 변수 u2로 나타냄)에 대해서도 적용된다. 개별 스트립을 가로지르는 중첩(u2)은 설정된 스트립(51a, 51b)의 공간 위치에 영향을 받는다.

제1 제거 단계와 제2 제거 단계에서의 중첩이 거의 같도록(차이는 2배 이하) 제어가 이루어질 수 있다. 중첩(u1 또는 u2)의 상한은 직경(d)의 40%, 30% 또는 20%일 수 있다. 하한은 0%, 5% 또는 10%일 수 있다. 직경(d)은 5 ㎛, 10 ㎛ 또는 20 ㎛의 하한 및/또는 200 ㎛, 100 ㎛ 또는 50 ㎛의 상한을 가질 수 있다.

제2 제거 단계 중의 레이저 빔(13)의 기계적 빔 유도에서, 레이저 광의 펄스 주파수 제어를 이용하여 기게적 빔 유도의 동적 부정확성을 보상할 수 있다. 기계적 빔 유도는 질량의 (정 또는 부의)가속도를 필요로 하는데, 이는 당연히 시간이 걸리는 것이다. 이는 보통은 무시할 수 있는 것이 아닌데, 그 이유는 관련 질량이 가속되기에 너무 무겁지 않은 작은 피가공물이나 레이저 헤드뿐만 아니라 리테이너나 서포트와 같이 상당히 무거운 것일 수도 있기 때문이다. 반면에, 그 동적인 거동은 알고 있고 예측가능하므로 제어될 수 있다.

예컨대, 특정의 원하는 속도로 축에 대해 회전시키고자 하는 경우에, 그 속도는 처음에는 그 원하는 속도보다 작을 것이다. 이에 대응하여, 표면적당 에너지 입력을 가능한 일정하게 유지하거나 가능한 변동이 최소가 되도록 하기 위해 펄스 주파수를 낮은 값으로 선택하는 것도 가능하다. 이를 일반화하면, 레이저 펄스 주파수는 기계적 레이저 빔 유도에 따라서, 특히 기계 시스템의 동적 특성(질량, 가속도) 조정될 수 있다.

펄스 주파수 제어 장치는 레이저 발생원의 펄스 주파수를 직접 제어할 수 있고 그리고/또는 개별 펄스 또는 펄스 계열을 블랭크시키거나 페이드 다운시킬 수 있는 촉각(tactile) 광 게이트를 가질 수 있다. 이 광 게이트는 특히 기계적 제어축(22)에 의한 기계적 빔 유도의 경우에 표면적당 레이저 에너지를 저속에 맞추어야 하는 경우에 이용될 수 있다. 그러면, 피가공물 상의 레이저의 상당히 느린 공급 속도에 따라서, 모든 펄스의 예컨대 99%, 99.2% 또는 99.5%를 블랭크시킬 수 있고, 따라서 레이저 에너지는 잘 조정될 수 있다.

도 6은 개별 영역들이 중첩적으로 정의된 실시예를 보여준다. 예컨대, 개별 영역(41a, 41b)은 영역(61)에서 중첩한다. 피가공물 상의 한 개 위치는 중첩 영역(61) 내의 2개의 서로 다른 상대 위치(44a, 44b)로부터 가공될 수 있다. 도 6에서, 상대 위치(44a)로부터의 가공 위치(레이저 펄스 충돌 지점)는 "o"로 나타내며, 상대 위치(44b)로부터의 가공 위치(레이저 펄스 충돌 지점)는 "x"로 나타낸다. 예컨대, 위치(69)는 2개의 개별적인 영역(41a, 41b) 내에 있고, 이런 식으로 제1 상대 위치(44a) 또는 제2 상대 위치(44b)로부터 선택적으로 가공될 수 있다. 이를 이용하여, 단일 영역 내의 공급 방향에서 사로 다른 지점에서 개별 스트립을 따른 제거가 종료되도록 중첩 영역(61)에서 개별 영역들 간을 빠르게 전환시킬 수 있으며, 따라서 다른 상대 위치로부터 다른 개별 영역으로의 가공 작업이 계속될 수 있다. 따라서 충격을 완화시켜 개별 영역들 간의 전환을 이루어 개별 영역들이 잘 보이지 않게 할 수 있다.

스트립(51d, 51e, 51f)은, (좌에서 우로 보았을 때) 창의 맨 끝에서 한 번 (스트립(51d), 맨 끝 바로 앞의 중첩 영역(61)의 시작부에서 한번 (스트립 51e)), 그리고, 중첩 영역의 중간에서 한 번 (스트립(51f)) 각 스트립을 따라 제거가 종료되는 실시예를 보여준다. 하나의 상대 위치(44a)로부터의 가공 종료점은 스트립식으로 저장되며, 따라서, 다른 상대 위치(44b)로부터 가공 작업을 행할 때에 그 저장된 데이터에 대한 가공이 정확하게 스트립식으로 개시되어 지속될 수 있다. 구체적인 위치를 저장하는 대신에, 가공 종료점은 일 상대 위치(44a)로부터 결정하고 가공 시작점은 다른 상대 위치(44b)로부터 결정한다는 규칙을 저장하는 것도 가능하다.

하나의 스트립에서 서로 다른 상대 위치(44a, 44b)로부터 가공되는 위치가, 스트립(51g)과 관련하여 도시된 바와 같이, 공급 방향에서 인터레이스 또는 "크로스"되게 하는 인터레이스 방식으로 작업이 수행될 수 있도록 진행하는 것도 가능하다. 여기서, 마찬가지로, 하나의 상대 위치(44a)로부터의 가공 지점은 스트립식으로 그리고 위치 방식으로(position-wise) 저장되며, 따라서, 다른 상대 위치(44b)로부터 가공 작업을 행할 때에 그 저장된 데이터에 대한 가공이 정확하게 개시되어 지속될 수 있다.

구제적인 종료점 또는 가공 위치를 저장하는 대신에, 가공 종료점은 일 상대 위치(44a)로부터 결정하고 가공 시작점은 다른 상대 위치(44b)로부터 결정한다는 규칙을 저장하는 것도 가능하다. 가공 종료점과 시작점을 가공 프로그램으로 구현하여 저장하는 것도 가능하다.

영역 중첩(61)의 치수는 예컨대 공급 방향에서의 영역 치수의 2% 이상 또는 5% 이상 및/또는 20% 이하 또는 10% 이하일 수 있다.

도 7은 제1 제거 단계에서는 광학적 빔 유도와 기계적 빔 유도를 이용하고 제2 제거 단계에서는 기계적 빔 유도만을 이용하는 2단계 제거법을 보여준다.

제1 제거 단계에서, 광학적 빔 유도와 기계적 빔 유도는, 하나는 일 방향에서 빔을 유도하고, 다른 하나는 이 일 방향과 교차하는 방향에서 빔을 유도하는 식으로 이용될 수 있다. 예컨대, 기계적 빔 유도는 피가공물의 최종 표면에 평행하게(즉, 교차하지 않게) 빔을 유도할 수 있고, 광학적 빔 유도는 기계적 빔 유도로부터 발생하는 (현재) 방향과 교차하는 (현재) 방향에서 빔을 유도한다.

도 7에서 화살표(71)는 몇 개의 기계적 제어축의 협력 작업에 의해 생길 수 있는 유도 운동을 나타내고, 라인(72)은, 피가공물 표면이 중첩된 기계적 빔 유도와 광학적 빔 유도로부터 어떤 합성된 유도 운동을 수신하기 때문에, 레이저가 피가공물 표면 위로 유도되도록 추적하는 트랙을 나타낸다. 광학적 빔 유도와 기계적 빔 유도는 어떤 것도 직선적이어서는 않된다.

전술한 바와 같이, 광학적 빔 유도의 피가공물 표면 상의 레이저 스폿의 스트립 속도는 보통은 기계적 빔 유도의 것보다 매우 높다. 그래서, 기계적 빔 유도는 가상의 기준점을 화살표(71)를 따라 비교적 느리게 유도할 수 있고, 광학적 빔 유도는 레이저 빔을 다소 높은 주파수로 왕복시킨다. 레이저 빔은 이러한 운동에 대해 전후로 활성화될 수 있으며, 또는 둘 중 하나에서 매우 낮은 주파수로 블랭크되거나 작동될 수 있다("복귀 주행"). 기계적 유도 운동은 연속적이거나 점진적으로 증가할 수 있다.

트랙(72)은 바람직하게는 피가공물 표면쪽으로 직각으로 연장한다. 그러나, 도 7은 피가공물 에지 또는 라운딩(오목 또는 볼록)의 영역에서 바깥쪽으로 향하는 트랙(방사 방향에서 방향성 성분을 가진 트랙)의 다양성을 보여준다. 그렇지 않고 제어 조건이 동일하다면, 표면적당 에너지 입력이 변한다는 결과는 방사 내측에서보다는 방사 외측에서 특히 더 약화될 것이다. 이는 광학적 빔 유도의 유도 속도를 바깥쪽으로 감소시키고 그리고/또는 레이저 펄스 주파수 또는 펄스 에너지를 증가시킴으로써 보상될 수 잇다.

이러한 다양성은 피가공물의 국소적 요철에 따라 트랙(72)의 방향을 적절히 조정함으로써 회피 또는 분산될 수 있다. 예컨대, 피가공물로부터 떨어져서 보았을 때, 트랙들은 피가공물 표면으로부터 국소적으로 수직으로 떨어진 방향에 대해 볼록 영역쪽으로 또는 오목 영역으로부터 멀어지게 경사져 있을 수 있으며, 이러한 경사는 오목 영역 또는 볼록 영역으로부터의 거리에 따라 달라질 수 있으며, 특히, 이 경사는 트랙이 오목 영역 또는 볼록 영역으로부터 멀어질수록 감소될 수 있다. 피가공물 기하학적 형태에 따라서는 트랙(72)은 오목 또는 볼록 영역에서 서로 나란하게 유도될 수도 있다.

모든 파라미터(즉, 기계적 축의 제어와 광학적 성분의 제어)가 미리 결정되어 저장되도록 트랙의 결정이 이루어질 수 있다. 이 경우에 비교적 간단하게 구현될 수 있는 대안은 도 8에 도시되어 있다. 도 8a는 광학적 빔 유도("스캐너")의 좌표계를 보여준다. 도면부호 81은 (x/y 방향에서 최대 편향 +/-) 이상으로 진행될 수 있는 작업창을 나타낸다. 82는 작업창에서 중앙에 배치될 수 있고 x축(83)과 y축(84)의 교차점으로 정의될 수 있는 0/0 지점을 나타낸다. 스캐너는 이 좌표계(광학적 빔 유도 - 특히 조정 미러(25a)와 제어부)에서 동작한다.

도 8b에 따라서, 기계적 제어축은 화살표(71)에 따라서 조정될 운동(미리 결정되어 저장됨)을 통해 작업창(81)을 유도한다. 그러나, 광학적으로 조정될 트랙(72)은 실시간으로 결정된다. 기계적 병진 및 회전식으로 유도된 운동(71)은 스캐너 좌표 시스템의 기준점(82)과 기준축(84)의 운동으로서 발생되며, 기준점이 화살표(71)를 따라 이동하고 기준축이 항상 피가공물 표면에 대한 특정 방향으로(예컨대, 수직으로) 존재하도록, 예컨대 스캐너 0/0 지점(82)(x/y 방향에서 0/0)을 기준점으로서 유도하고 예컨대 y축(84)을 기준축으로서 유도할 수 있다. 81-1과 81-2는 예컨대 연속적으로 채택된 2개의 현재 위치를 나타낸다. 기준점(82)의 운동은 예컨대 경계(31)를 따라 이루어질 수 있다.

각 현재 기준점(82-1, 82-2)에 기초하여, 그 때에 각각 유도될 트랙(72-1, 72-2)의 방향과 길이 또는 단순히 각 트랙의 종점(85-1, 85-2)이 스캐너 좌표계에서 실시간으로 결정될 수 있다. 이에 따라서 스캐너가 제어된다. 이러한 결정은 다이 데이터(die data)에 근거하여 이루어질 수 있다.

기계적 빔 유도는 기기의 하나 또는 복수의 병진 및/또는 회전 제어축(22a, 22b)을 동시에 또는 연속적으로 이용하여, 레이저 장치(25)와 피가공물(10)의 서로에 대한 상대 위치 및/또는 상대 정렬을 조정, 변경 및/또는 유도하여 레이저 빔(13)을 피가공물 표면 위로 유도한다. 광학적 빔 유도는 레이저 장치(25)에서 조정 미러(25a), 예컨대 힌지형 미러를 이용하여 레이저 빔을 피가공물 표면 위로 유도한다.

도 7과 8의 실시예에서, 제2 제거 단계는 전술한 바와 같이 설계될 수 있다.

실제 구현 시에는 기계적 제어축(22)과 조정 미러(25a)는 독립적인 제어부/피드백 제어부를 가질 수 있다. (센서와 액츄에이터 간의) 데이터 교환을 위해 적합한 인터페이스가 그들 사이에 예컨대 상위 제어부 형태로 구비될 수 있다.

제1 제거 단계에 대한 도 7에 도시된 트랙 유도는 도 3의 실시예의 제1 제거 단계에서도 가능하다. 그러나, 이 경우에는 트랙 유도는 광학적 빔 유도에 의해서만 조정될 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 제1 제거 단계에 따라서 제거될 재료의, 피가공물로부터 먼 영역(도 3에서 14-1)을 다시 한번 피가공물로부터 먼 영역과 피가공물로부터 가까운 영역으로 분할함으로써 피가공물 가공 작업을 더 가속화하는 것이 가능하며, 이 경우, 피가공물로부터 먼 영역은 광학적 레이저 빔 유도에 의해 가공되고, 피가공물로부터 가까운 영역은 다른 방식으로, 예컨대 기계적 방식이나 부식 등의 방식으로 가공된다.

전술한 실시예에서, 층들의 적층 방향은 피가공물 표면에 평행하며, 따라서 제거 층은 피가공물 표면과 교차하도록 배치되어 있다(도 1a에서 스트립(51)과 층(17)을 참조). 층 제거 진행과 함께, 이런 식으로 최종 피가공물 표면을 따라 가공 작업이 실시되며, 작업 영역들 간의 가상 경계(31)는 2단계에 따라서 각 층을 2개 영역(14-1, 14-2)으로 분할한다.

그러나, 층들의 적층 방향이 피가공물 표면에 수직이 되도록 하고, 그에 따라서 제거 층이 피가공물 표면과 나란하게 배치되도록, 즉 평면적 피가공물 표면을 따르지 않도록 절차를 진행하는 것도 가능하다. 그러면, 도 1a에서, 라인(51)은 개별 층을 나타내고, 라인(17)은 한 층 내의 단일 스트립들을 나타낼 것이다. 도시된 것과는 달리, 레이저 빔은 피가공물 표면이 아니라 수직벽(18)에 충돌할 것이다. 그러면, 층 제거 진행과 함께, 최종 피가공물 표면쪽으로 이동하도록 가공 작업이 실시된다. 작업 영역들 간의 경계(31)는 2단계에 따라서 2개 층 사이에 위치될 수 있으며, 따라서, 각 개별층은 제1 제거 단계 또는 제2 제거 단계에 따라서 일 또는 다른 영역에 배치된다. 2 두가지 방법을 조합한 것도 가능하다. 예컨대 일 층은 일 피가공물 영역에 배치되고, 타 층은 타 피가공물 영역에 배치될 수 있다.

그러나, 전술한 대안은, 작업이 진행될 때에, 예컨대, 처음에는 (피가공물의 "상단에서") 피가공물 표면과 나란한 층이 제거되고 중간에 ("측벽에서") 상기 측벽과 나란하게 적층된 층이 제거될 때에, 자동적으로 발생될 수 있다.

기계적 빔 유도와 광학적 빔 유도는 2차원 공간에서 제어를 행할 수 있다. 달리 말해, 개별 트랙과 층들은 직선적 평면에 배치될 필요가 없다. 광학 스캐너는 초점 조정부(25b)를 이용하여 z 방향에서 초점 위치를 제어함으로써 제어될 수 있다. 기계적 빔 유도는 적어도 하나의 대응 축을 가질 수 있다.

지금까지 설명된 것과는 달리, 레이저 빔은 가변 광학 소자(광학적 빔 유도)에 의해 제2 제거 단계에서 느려질 수 있으며, 이런 이유만으로도 제1 제거 단계에 비해 더 정밀하게 유도될 수 있다. 그러므로, 이는 레이저 빔이 피가공물에 대해 상대적인 가변 광학 소자에 의해 피가공물 표면 위로 유도되는 제2 제거 단계에 대응하며, 이 경우, 피가공물 상의 레이저 충돌 지점의 스트립 유도 속도는 제1 제거 단계에서의 것보다 작게 된다.

그래서, 예컨대 레이저 제어에서, 특히 피가공물 표면으로 입력된 파워 또는 에너지를 감소된 유도 속도에 맞추고 제2 제거 단계에서 스트립 유도의 정확도를 증가시키는 여러 가지 변경도 가능하다. 펄스 에너지 및 주파수도 변경(감소)될 수 있다. 이 전기 회로에서는 가변 또는 전환가능 필터가 구비될 수 있으며, 따라서, 제2 제거 단계에서는 제1 제거 단계에서는 없는 필터를 이용하여 원치 않는 비교적 높은 주파수를 가진 신호를 제거할 수 있다. 빔 유도를 위한 전기-광 인터페이스 상에 다른 (더 정밀한) 소자(예컨대, 조정 미러)를 이용하는 것도 가능하다. 제어 신호와 레이저 충돌 지점 간의 교정을 실시하는 것도 가능하다.

제2 제거 단계에서의 피가공물 표면 상의 레이저 충돌 지점의 스트립 속도는 제1 제거 단계보다 적어도 5, 10, 20, 50 또는 100배 더 감소될 수 있다. 전기 기계적 액츄에이터에 공급된 신호의 경계 주파수는 전기적 필터를 적당히 변경, 작동 또는 작동 중지시킴으로써 적어도 5, 10, 20, 50 또는 100배 더 감소될 수 있다. 펄스 주파수도 적어도 5, 10, 20, 50 또는 100배 더 감소될 수 있다.

이렇게 작동하는 제2 제거 단계 중에, 피가공물에 상대적인 기기의 하나 또는 복수의 제어축에 의해 레이저 빔이 피가공물 표면 위로 중첩되게, 예컨대 연속적으로 또는 점진적으로 유도될 수도 있다. 피가공물에 상대적인 기기의 하나 또는 복수의 제어축에 의한 레이저 빔 유도는 광학적 레이저 빔 유도와 동시에 또는 이에 대신하여 실시될 수 있다. 하나 또는 복수의 회전 제어축 및/또는 하나 또는 복수의 병진 제어축 또는 병진 및 회전 제어축이 이용될 수 있다.

제어는 특히 레이저 광원의 출력 및/또는 펄스 주파수를 감소시키고 그리고/또는 빔 유도 소자의 동작/빔 유도를 느리게 함으로써 제2 제거 단계의 전술한 특징을 구현하도록 설계될 수 있다.

저속 광학적 빔 유도를 이용하는 제2 제거 단계의 실시예의 전술한 특징은 제2 제거 단계 대신에 제1 제거 단계와 제2 제거 단계 사이의, 빔 유도를 위해 기계적 제어축만을 이용하는 제거 단계에서 이용될 수 있다.

피가공물은 금속 또는 세라믹 또는 다른 피가공물이거나 이를 포함할 수 있으며, 선택적으로는 복수의 상기 재료로 이루어질 수 있다. 재료는 유리 또는 플라스틱재이거나 이를 포함할 수 있다. 이는 (CVD 또는 PKD) 다이아몬드 층일 수도 있다. 이는 복합재일 수도 있다. 이는 가공될 절삭공구, 특히 금속 코어와 저어도 일부 영역에 존재하는 다이아몬드 코팅을 가진 복합 공구일 수 있다.

피가공물 상의, 레이저 편향성에 의해 정의되는, 기기의 작업창의 치수는 30 cm 이하, 20 cm 이하, 15 cm 이하 또는 10 cm 이하일 수 있다. 이 치수는 2 cm 이상, 5 cm 이상, 10 cm 이상 또는 15 cm 이상일 수 있다. 피가공물은 작업창보다 클 수 있으며, 따라서, 기기의 기계적 제어축을 이용하여 작업창 변위에 의해 진행될 수 있다.

상기 상세한 설명에서 설명된 특징들은 명시되어 있지 않더라도 기술적 이유로 불가하지 않다면 서로 조합될 수 있는 것이다. 방법 단계, 방법 특징 및 방법 옵션에 대한 설명은 각 방법 양상을 구현하는 장치 파트 또는 장치 옵션에 대한 설명으로, 또는 그 역으로 이해되어야 한다.

Claims (15)

1. 레이저 장치로부터의 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하기 위해, 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 피가공물과 레이저 장치의 상대 위치를 결정하고 상기 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 또는 연소시킴으로써 소정 정의에 따라서 상기 피가공물 재료를 제거하는 피가공물 가공 방법에 있어서,
   가변 광학 소자를 이용하여, 기계적 제어축의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해서 상기 피가공물 표면 위로 유도하여 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하는 제1 제거 단계, 특히 상기 가변 광학 소자는 상기 레이저 장치 내의 조정 미러일 수 있으며; 및
   바람직하게는 상기 레이저 빔을 상기 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하는 제2 제거 단계
   를 포함하고,
   상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있으며,
   상기 제1 제거 단계에서는 광학적 빔 유도와 기계적 빔 유도가 사용되며, 바람직하게는, 그 중 하나가 소정 방향에서 빔을 유도하고, 다른 하나가 상기 소정 방향과 교차하는 방향에서 빔을 유도하는 식으로 이용되고, 또, 바람직하게는, 상기 기계적 빔 유도가 빔을 상기 피가공물의 최종 표면에 평행하게 유도하고,
   상기 제2 제거 단계에서는 상기 기계적 빔 유도만 이용되는 피가공물 가공 방법.
2. 레이저 장치로부터의 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 방법으로서, 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하기 위해, 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 피가공물과 레이저 장치의 상대 위치를 결정하고 상기 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 또는 연소시킴으로써 소정 정의에 따라서 상기 피가공물 재료를 제거하는 피가공물 가공 방법에 있어서,
   가변 광학 소자를 이용하여, 기계적 제어축의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해서 상기 피가공물 표면 위로 유도하여 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하는 제1 제거 단계, 특히 상기 가변 광학 소자는 상기 레이저 장치 내의 조정 미러일 수 있으며; 및
   바람직하게는 상기 레이저 빔을 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하는 제2 제거 단계
   를 포함하고,
   상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있으며,
   제거가 시작되기 전에, 상기 피가공물로부터 제거될 부피가 복수의 인접한 개별 영역으로 분할되고, 먼저 상기 영역들 각각에 대해 기계적 제어축을 이용하여 피가공물과 개별 영역들 간의 정의된 기준 위치를 조정하고 그 다음에 상기 기준 위치에 기초하여 상기 각 개별 영역 내에서 상기 제1 제거 단계와 상기 제2 제거 단계를 실시함으로써 상기 개별 영역이 제거되고,
   상기 기준 위치는 기준점이 각 개별 영역에 할당되도록 조정될 수 있고, 상기 기준 위치는 기준점과 레이저 장치 간의 특정 상대 위치를 조정함으로써 조정되고, 상기 기준점은 병진 기준 위치(x0i, y0i)와 회전 기준 정렬( phi0i, psi0i)을 가질 수 있고, 상기 기준 위치는 상기 기준점에 따른 병진 및 회전 상대 위치일 수 있고,
   상기 개별 영역은 하기 기준들,
   - 기준 위치 중의 가공 경계를 제거 레이저의 작업 영역에 맞춤,
   - 파가공물 부품 또는 재료 잔류물에 의한 레이저 음영의 회피,
   - 피가공물의 특정 표면 영역에서의 영역 경계의 회피, 및
   - 레이저와 피가공물 표면 간의 큰 거리차 또는 기준 위치 내의 피가공물 표면부들의 정렬차의 회피
   중 한 가지 이상에 따라서 결정될 수 있는 피가공물 가공 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 피가공물 상의 레이저 광 스폿은 상기 제2 제거 단계에서보다 상기 제1 제거 단계에서 더 높은 스트립 유도 속도로 상기 피가공물 표면 위로 유도되고, 속도 차는 10배 이상 또는 100배 이상이고,
   상기 스트립 유도 속도는 상기 제1 제거 단계에서는 1 m/s 이상 또는 5 m/s 이상, 그리고/또는 상기 제2 제거 단계에서는 0.1 m/s 이하 또는 0.02 m/s 이하인 피가공물 가공 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 제거 단계는 상기 피가공물의 최종 표면으로부터 먼 쪽에 있는 영역을 제거하는데 이용되고, 상기 제2 제거 단계는 상기 피가공물의 최종 표면에 인접하고 가까운 쪽에 있는 영역을 제거하는데 이용되는
   피가공물 가공 방법.
5. 제1항에 있어서,
   제거가 시작되기 전에, 상기 피가공물로부터 제거될 부피가 복수의 인접한 개별 영역으로 분할되고, 먼저 상기 영역들 각각에 대해 기계적 제어축을 이용하여 피가공물과 개별 영역들 간의 정의된 기준 위치를 조정하고 그 다음에 상기 기준 위치에 기초하여 상기 각 개별 영역 내에서 상기 제1 제거 단계와 상기 제2 제거 단계를 실시함으로써 상기 개별 영역이 제거되고,
   상기 기준 위치는 기준점이 각 개별 영역에 할당되도록 조정될 수 있고, 상기 기준 위치는 기준점과 레이저 장치 간의 특정 상대 위치를 조정함으로써 조정되고, 상기 기준점은 병진 기준 위치(x0i, y0i)와 회전 기준 정렬( phi0i, psi0i)을 가질 수 있고, 상기 기준 위치는 상기 기준점에 따른 병진 및 회전 상대 위치일 수 있고,
   상기 개별 영역은 하기 기준들,
   - 기준 위치 중의 가공 경계를 제거 레이저의 작업 영역에 맞춤,
   - 파가공물 부품 또는 재료 잔류물에 의한 레이저 음영의 회피,
   - 피가공물의 특정 표면 영역에서의 영역 경계의 회피, 및
   - 레이저와 피가공물 표면 간의 큰 거리차 또는 기준 위치 내의 피가공물 표면부들의 정렬차의 회피
   중 한 가지 이상에 따라서 결정될 수 있는 피가공물 가공 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제거 층들의 일부 또는 전부가 최종 피가공물 표면과 교차하도록 배치되고,
   상기 제1 제거 단계와 제2 제거 단계는 상기 제거 층들을 순차적으로 제거하도록 실시되거나, 상기 제1 제거 단계와 제2 제거 단계 중 어느 한 단계가 복수의 층에서 연속적으로 실시된 후에 다른 한 단계가 하나 또는 복수의 층에서 실시되는 피가공물 가공 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 재료 제거 중에 레이저를 유도하는 스트립은 직선일 필요가 없고, 특히 최종 피가공물의 윤곽에 맞도록 구성될 수 있는 피가공물 가공 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 층들의 적층 방향은 상기 피가공물 표면에 평행하거나, 상기 제거 층들이 상기 피가공물 표면과 교차하도록 배치된 피가공물 가공 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 제거 단계에서 복수의 가변 광학 소자가 고정 상태로 유지되거나, 상기 제2 제거 단계에서 레이저 광이 복수의 가변 광학 소자를 바이패스하는 피가공물 가공 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 제거 단계에서, 상기 제2 제거 단계 중에 작동되는 기기의 기계적 제어축의 동적 특성에 따라서 상기 레이저 광의 펄스 주파수가 제어 또는 조정되는 피가공물 가공 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    일부 또는 전체 층의 적층 방향이 피가공물 표면에 수직이거나, 상기 제거 층들이 최종 피가공물 표면과 평행하거나 일정 거리를 두고 이 표면을 따르는 피가공물 가공 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 제거 단계에서 광학적 빔 유도만 이용되고, 상기 제2 제거 단계에서는 기계적 빔 유도만 이용되는 피가공물 가공 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하기의 특징들,
    - 상기 2개의 제거 단계 동안에 중첩될 수도 있는 인접 스트립들을 따라 레이저가 유도되는 것,
    - 레이저 광은 펄스 레이저 광이고, 그 펄스 주파수는 피가공물 상의 레이저의 스트립 속도에 따라 조정되어, 피가공물 표면 상의 레이저 광의 충돌 지점의 원하는 중첩 또는 충돌 지점 간의 원하는 거리를 발생하는 것, 및
    - 상기 피가공물은 절삭공구이고, 그 표면에는 CVD 또는 PKD 다이아몬드 코팅이 있는 것
    중 한 가지 이상을 포함하는 피가공물 가공 방법.
14. 피가공물(10)을 가공하기 위한 것으로, 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 실시하기 위한 레이저 가공기(20)에 있어서,
    복수 층으로 이루어진 피가공물 재료를 제거하기 위한 레이저 빔을 스트립 형상의 노출된 피가공물 표면 위로 전체 표면에 걸쳐 이동시켜 피가공물 재료를 증발 또는 연소시킴으로써 피가공물 제조를 위한 소정 정의에 따라서 상기 레이저 빔을 유도하는 레이저 장치(25);
    피가공물(10)을 고정하는 피가공물대(24);
    피가공물(10)과 레이저 장치(25)의 상대 위치와 지지의 병진 및 회전 조정을 위한 복수의 제어축(22a, 22b); 및
    상기 레이저 장치와 상기 제어축(22a, 22b)에서의 레이저 빔 유도를 제어하는 제어 시스템(27)
    을 포함하고,
    상기 제어 시스템은,
    제1 제거 단계에서, 상기 레이저 장치와 상기 피가공물 간의 상대 위치를 조정하기 위해 상기 레이저 장치 내의 가변 광학 소자(25a)를 이용하여, 기계적 제어축(22)의 동시적 이용 여부에 상관없이, 상기 레이저 빔을 상기 피가공물(10)에 대해서 상기 피가공물 표면(14) 위로 유도하고, 특히 상기 가변 광학 소자는 상기 레이저 장치 내의 조정 미러일 수 있으며, 그리고
    제2 제거 단계에서 바람직하게는 상기 레이저 빔을 가변 광학 소자를 이용하여 동시에 유도하지 않고, 기기의 하나 또는 복수의 제어축(22a, 22b)을 이용하여 상기 레이저 빔을 상기 피가공물에 대해 상기 피가공물 표면 위로 유도하도록 구성되고,
    상기 레이저 빔의 초점 거리는 가변 광학 소자에 의해 가변적으로 조정될 수 있는 레이저 가공기.
15. 제14항에 있어서,
    펄스 레이저 광을 방출하는 레이저 발생원과, 레이저 가공 중의 동적 특성에 따라서 상기 레이저 광의 펄스 주파수를 제어하는 펄스 주파수 제어 장치를 더 포함하고,
    상기 펄스 주파수 제어 장치는 상기 레이저 발생원의 펄스 주파수를 제어하도록 구성되거나, 촉각 광 게이트를 구비한 레이저 가공기.

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