RU2730359C1 - Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов - Google Patents
Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730359C1 RU2730359C1 RU2019130415A RU2019130415A RU2730359C1 RU 2730359 C1 RU2730359 C1 RU 2730359C1 RU 2019130415 A RU2019130415 A RU 2019130415A RU 2019130415 A RU2019130415 A RU 2019130415A RU 2730359 C1 RU2730359 C1 RU 2730359C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cutting
- concentrated
- optical elements
- laser
- laser cutting
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B33/00—Severing cooled glass
- C03B33/02—Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor
- C03B33/04—Cutting or splitting in curves, especially for making spectacle lenses
Abstract
Изобретение относится к технологии обработки листовых материалов концентрированными потоками энергии, в частности к способу многопозиционной лазерной резки тонколистового материала. Осуществляют одновременное воздействие на обрабатываемый материал непрерывного лазерного излучения сосредоточенных поверхностных энергетических источников в виде пучков диаметром 0,2-0,3 мм. Источники формируют в нескольких местах на поверхности материала и перемещают по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью. Формирование сосредоточенных поверхностных энергетических источников осуществляют с помощью подвижных дифракционных оптических элементов - многопорядковых делителей пучка. Технический результат заключается в повышении точности обработки по параллельным, осесимметричным и центросимметричным контурам, а также в увеличении энергетической эффективности технологического процесса резки. 5 ил.
Description
Изобретение относится к технологии обработки листовых материалов концентрированными потоками энергии и может применяться при разделительной сквозной лазерной резке.
Известен способ лазерной обработки, заключающийся в управлении лазерным излучением с помощью системы двух подвижных плоских зеркал в совокупности с фокусирующей оптикой (Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки // М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - С. 53, рис. 1.26, а). Он заключается в том, что позиционирование луча на поверхности листового материала осуществляется с помощью перемещений зеркал в одной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях и создании концентрированного источника энергии на поверхности за счет фокусировки.
Недостатком данного способа является возможность обработки лазерным излучением только в одной позиции на плоскости листового материала - положении фокусировки.
Также известен способ лазерной резки хрупких неметаллических материалов (Пат. 2206528 Российская Федерация МПК С03В 33/02, опубл. 20.06.2003 Бюл. №17), включающий нагрев материала по линии реза с помощью лазерного пучка и последующее охлаждение линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении лазерного пучка с хладагентом и материала. При этом нагрев осуществляют по крайней мере двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала.
Недостатком такого технического решения является ограничение по классу неметаллических материалов, поскольку лазерная резка хрупких неметаллических материалов осуществляется по механизму термораскалывания. Другой недостаток данного способа - обязательность нормального падения лазерных пучков на поверхность обрабатываемого материала, что усложняет оптическую систему и повышает требования к ее юстировке.
Известен и ряд других технических решений по многопозиционной лазерной обработке (например, Пат. 2193956 Российская Федерация МПК B23K 26/20 B23K 26/067, опубл. 10.12.2002 Бюл. №34; Пат. 2575891 Российская Федерация МПК В29С 37/00 B23K 26/38 B29D 22/00 A61J 1/06, опубл. 20.02.2016 Бюл. №5; Пат. 2283738 Российская Федерация МПК B23K 26/20 B23K 26/067, опубл. 20.09.2006 Бюл. №26; Пат. 2677574 Российская Федерация МПК B23K 26/364 B23K 26/067 B23K 26/0622 H01L 21/301 H01L 21/78 B23K 101/40 B23K 103/16, опубл. 17.01.2019 Бюл. №2), в которых для создания энергетических источников на поверхности материала используются элементы традиционной оптики (линзы, зеркала, призмы, делители).
Общим недостатком всех подобных технических решений является многокомпонентность оптических систем. В них каждый оптический элемент выполняет одну функцию по отношению к излучению (разделение энергетического потока, изменение направления, фокусировка). Поэтому элементы в таких оптических схемах, как правило, юстируются перед началом технологического процесса и занимают фиксированное положение в процессе обработки. Это обстоятельство определяет и фиксированное положение технологического объекта по отношению к оптической системе.
Наиболее близким техническим решением является способ лазерной термической обработки материалов (Пат. 2345148 Российская Федерация, МПК C21D 1/09, опубл. 27.01.2009 Бюл. №3), заключающийся в воздействии на обрабатываемый материал непрерывным лазерным излучением, сфокусированным в световое пятно в виде отрезка, перемещаемое по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью. Этот способ реализуется при использовании дифракционных оптических элементов (ДОЭ), представляющих собой пропускающую или отражающую пластинку с тонким фазовым микрорельефом, рассчитанным в рамках теории дифракции, и позволяет проводить обработку материала в пределах плоской области, сформированной на поверхности технологического объекта в виде отрезка.
Недостатком такого технического решения является отсутствие высокой концентрации энергии в пределах поверхностного источника, что не позволяет, в частности, создать условия для лазерной резки.
Следует отметить, что дифракционные оптические элементы, несмотря на большие по сравнению с традиционной оптикой возможности в плане перераспределения энергии в пространстве, не получили широкого распространения в оптических системах, используемых в лазерных технологических установках. Не в последнюю очередь, это связано с низкой дифракционной эффективностью ДОЭ. Однако недавно было показано (T.V. Kononenko et al. Fabrication of diamond diffractive optics for powerful CO2 lasers via replication of laser microstructures on silicon template. - Diamond & Related Materials. - 2020. - V. 101. - P. 107656), что этот показатель можно вплотную приблизить к теоретическому пределу.
Задача фокусировки лазерного излучения в произвольную кривую с заданным распределением интенсивности была решена научной группой под руководством академика A.M. Прохорова еще в 1981 году. К этому времени можно отнести и создание соответствующего дифракционного оптического элемента - фокусатора лазерного излучения (Дифракционная компьютерная оптика: учебник / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, 2007. - 736 с.). Принципиально, ДОЭ позволяют реализовать с помощью одного элемента сразу несколько операций с волновыми фронтами: изменение направления лазерного пучка, разделение исходного пучка на несколько лучей и их фокусировку в заданных областях. Это может способствовать существенному упрощению оптической схемы и снижению требований к юстировке. Кроме того, использование дифракционных делителей пучка технологического лазера позволяет обеспечить расхождение энергии по фиксированным направлениям в пространстве, жестко связанным между собой.
В основу изобретения поставлена задача повышения точности обработки по параллельным, осесимметричным и центросимметричным контурам за счет использования жесткой взаимосвязи лучей, формируемых дифракционными делителями пучка, а также повышения энергоэффективности за счет исключения холостых перемещений оптики при обработке по нескольким параллельным либо симметричным контурам и одновременного формирования нескольких резов.
Данная задача решается тем, что обеспечивается жесткое позиционирование лазерного луча относительно дифракционного делителя пучка, за счет чего достигается формирование сосредоточенных источников излучения в нескольких точках на поверхности материала и одновременное тепловое воздействие на образец в нескольких местах.
Поскольку углы между отдельными формируемыми лучами постоянны, перемещение ДОЭ в вертикальном направлении, в горизонтальном направлении (перпендикулярно линии предполагаемого реза) совместно с движением вдоль линии реза либо вращение ДОЭ вокруг собственной оси совместно с перемещением в вертикальном направлении могут способствовать расширению технологических возможностей лазерной резки при обработке по сложным контурам. При этом дополнительно требуется обеспечить глубину фокуса ДОЭ, чтобы сохранить параметры лазерного луча как режущего инструмента в пределах предполагаемых перемещений ДОЭ. На практике это достижимо при небольших углах расхождения лучей (до 15°) и фокусном расстоянии 0,5-1 м. Работа с такими оптическими системами не требует нормального падения лучей на поверхность обрабатываемого материала при малых толщинах последнего.
Предлагаемый способ лазерной резки листовых материалов поясняется следующими схемами: резка по параллельным кусочно-линейным (фиг. 1) и гладким (фиг. 2) контурам с использованием делителей пучка на два и на три концентрированных потока энергии соответственно; резка по контурам симметричным относительно продольной оси без разделения листа (фиг. 3) и с разделением по оси (фиг. 4); резка по четырем сложным контурам (фиг. 5), при которой рез выполняется сначала в радиальном направлении от центра, а затем - по дуге окружности.
Процессы разделения при работе по таким схемам осуществляются за счет совокупности двух движений дифракционного элемента: 1 - в поперечном (фиг. 1 и 2) либо вертикальном (фиг. 3-5) и 2 - в продольном (фиг. 1-4) и осевом (фиг. 5) направлениях относительно траектории реза. Во всех приведенных схемах на поверхности технологического объекта с помощью ДОЭ формируются концентрированные поверхностные энергетические источники (диаметром 200…300 мкм) для обеспечения необходимой при резке плотности мощности. Перемещения ДОЭ с оправкой осуществляются с помощью двигателей.
Предлагаемый способ многопозиционной лазерной резки заключается в следующем. Задаются траектории предполагаемого реза. Дифракционный многопорядковый делитель рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить расхождение потоков энергии под углом, достаточным для покрытия всего контура резки за счет перемещений ДОЭ относительно обрабатываемой поверхности. Далее вычисляются скорости синхронного перемещения делителя в направлениях 1 и 2 из тех соображений, чтобы достигалась определяемая технологией скорость резки материала по заданному контуру на всей траектории реза.
Claims (1)
- Способ многопозиционной лазерной резки тонколистового материала, включающий одновременное воздействие на обрабатываемый материал непрерывного лазерного излучения сосредоточенных поверхностных энергетических источников в виде пучков диаметром 0,2-0,3 мм, которые формируют в нескольких местах на поверхности материала и перемещают по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью, отличающийся тем, что формирование сосредоточенных поверхностных энергетических источников осуществляют с помощью подвижных дифракционных оптических элементов - многопорядковых делителей пучка.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019130415A RU2730359C1 (ru) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019130415A RU2730359C1 (ru) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2730359C1 true RU2730359C1 (ru) | 2020-08-21 |
Family
ID=72237735
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019130415A RU2730359C1 (ru) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2730359C1 (ru) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS606290A (ja) * | 1983-06-23 | 1985-01-12 | Nec Corp | レ−ザ切断装置 |
RU2193956C2 (ru) * | 2000-11-02 | 2002-12-10 | Открытое акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро | Устройство для лазерной сварки |
RU2206528C2 (ru) * | 2001-08-15 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов (варианты) |
JP2003322503A (ja) * | 2002-05-02 | 2003-11-14 | Norito Suzuki | 高速シヤリングヘテロダイン干渉計 |
RU2283738C1 (ru) * | 2005-02-15 | 2006-09-20 | ОАО "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Установка для лазерной обработки |
WO2011110337A3 (en) * | 2010-03-09 | 2012-08-30 | B. Braun Melsungen Ag | Device for cutting plastic products provided in a continuous plastic band for use in the medical sector |
RU2575891C2 (ru) * | 2010-03-09 | 2016-02-20 | Б. Браун Мельзунген Аг | Устройство для резки пластиковых изделий, размещенных в непрерывной пластиковой ленте, для применения в медицинской области |
CN209319014U (zh) * | 2018-11-21 | 2019-08-30 | 伊欧激光科技(苏州)有限公司 | 一种多焦点激光加工装置 |
-
2019
- 2019-09-25 RU RU2019130415A patent/RU2730359C1/ru active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS606290A (ja) * | 1983-06-23 | 1985-01-12 | Nec Corp | レ−ザ切断装置 |
RU2193956C2 (ru) * | 2000-11-02 | 2002-12-10 | Открытое акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро | Устройство для лазерной сварки |
RU2206528C2 (ru) * | 2001-08-15 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов (варианты) |
JP2003322503A (ja) * | 2002-05-02 | 2003-11-14 | Norito Suzuki | 高速シヤリングヘテロダイン干渉計 |
RU2283738C1 (ru) * | 2005-02-15 | 2006-09-20 | ОАО "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Установка для лазерной обработки |
WO2011110337A3 (en) * | 2010-03-09 | 2012-08-30 | B. Braun Melsungen Ag | Device for cutting plastic products provided in a continuous plastic band for use in the medical sector |
RU2575891C2 (ru) * | 2010-03-09 | 2016-02-20 | Б. Браун Мельзунген Аг | Устройство для резки пластиковых изделий, размещенных в непрерывной пластиковой ленте, для применения в медицинской области |
CN209319014U (zh) * | 2018-11-21 | 2019-08-30 | 伊欧激光科技(苏州)有限公司 | 一种多焦点激光加工装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11253955B2 (en) | Multi-segment focusing lens and the laser processing for wafer dicing or cutting | |
EP2260967B1 (en) | Arrangement for forming one or more separated scores in a surface of a substrate | |
KR102364197B1 (ko) | 레이저 방사 수단에 의해 재료를 가공하는 결상 광학계 및 이 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드 | |
WO2018012379A1 (ja) | レーザ加工装置 | |
US9233435B2 (en) | Apparatus and method for the interference patterning of planar samples | |
US3622740A (en) | Apparatus for treating workpieces by laser energy | |
CN104439716A (zh) | 激光加工系统及激光加工方法 | |
JP2010207879A (ja) | レーザ加工方法およびレーザ加工装置 | |
GB1255704A (en) | Laser tool | |
KR101582632B1 (ko) | 프레넬 영역 소자를 이용한 기판 절단 방법 | |
US20190067049A1 (en) | Radiative wafer cutting using selective focusing depths | |
WO2018011618A1 (en) | Method and system for cleaving a substrate with a focused converging ring-shaped laser beam | |
KR20180064599A (ko) | 레이저 가공 장치 | |
JP2021516159A (ja) | 硬脆材料製品の加工方法、装置及びシステム | |
RU2730359C1 (ru) | Способ многопозиционной лазерной резки с использованием дифракционных оптических элементов | |
JP2016131997A (ja) | レーザ切断光学ユニット及びレーザ切断装置 | |
CN1978120B (zh) | 激光加工系统 | |
CN104785923A (zh) | 一种多焦点聚焦的激光加工装置 | |
KR20220032862A (ko) | 레이저 가공 시스템 및 방법 | |
CN110253155B (zh) | 一种微裂纹控制的激光加工装置 | |
JP2019084542A (ja) | ビーム重畳光学系、及びレーザ加工装置 | |
JP2021531507A (ja) | 2つのオフセットレーザビームを提供するための光学装置及び方法 | |
KR20130138575A (ko) | 레이저 가공방법 | |
RU2283738C1 (ru) | Установка для лазерной обработки | |
CN102649194A (zh) | 一种光学盲点的激光加工方法及激光加工装置 |