RU2777735C2

RU2777735C2 - Device for three-dimensional molding of workpiece

Info

Publication number: RU2777735C2
Application number: RU2020119336A
Authority: RU
Inventors: Бернольд РИХЕРЦХАГЕН; Давид ХИППЕРТ; Хельги ДИЛЬ
Original assignee: Синова С.А.
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-08-09

Abstract

FIELD: additive technologies.

SUBSTANCE: invention relates to the field of additive technologies, in particular to a device and a method for three-dimensional molding of a workpiece by means of removal of material, using a laser beam. The device contains a mechanical processing unit made with the possibility of supply of a fluid jet under pressure to the workpiece and introduction of the laser beam into the fluid jet in the direction of the workpiece, a controller of workpiece movement relatively to the mechanical processing unit, a measuring unit for measuring a position of a drop point of the fluid jet under pressure on the workpiece, and a laser controller. The movement controller is made with the possibility of multiple change in x-y-z position of the workpiece, so that the laser beam scans the surface of the workpiece in x-y plane, or with the possibility of change in a trajectory, along which the fluid jet moves along the workpiece based on a set surface profile. The measuring unit is made with the possibility of determination of the surface profile by measuring z position of a set of drop points of the fluid jet on the workpiece. The laser controller is made with the possibility of adjustment of laser beam energy for different x-y positions based on the set surface profile.

EFFECT: fast and accurate molding of a workpiece of a given shape is provided.

26 cl, 10 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к устройству для трехмерного формирования заготовки для получения готовой детали посредством удаления (абляции) материала. Удаление материала осуществляют с помощью лазерного луча, предпочтительно импульсного лазерного луча, который направляют в струе текучей среды на заготовку. Настоящее изобретение также относится к способу трехмерного формирования заготовки посредством удаления материала с помощью лазерного луча, внесенного в струю текучей среды.The present invention relates to a device for three-dimensional forming of a workpiece to obtain a finished part by removing (ablation) of material. The removal of material is carried out by means of a laser beam, preferably a pulsed laser beam, which is directed in a fluid stream onto the workpiece. The present invention also relates to a method for forming a workpiece in three dimensions by removing material using a laser beam introduced into a fluid jet.

Уровень техникиState of the art

Общеизвестны обычные устройства для обработки заготовки лазерным лучом, внесенным в струю текучей среды под давлением. Однако "механическая обработка" заготовки с помощью такого обычного устройства ограничена сквозной выемкой и сквозным сверлением. Управление процессом обработки с помощью такого устройства не позволяет обеспечить полное трехмерное формирование заготовки для получения готовой детали. В основном, это происходит вследствие того, что обычное устройство в лучшем случае знает, в каком месте заготовки относительно координат x-y лазерный луч удаляет материал, но не знает место по оси z, в котором происходит удаление материала. Как следствие, устройство также неспособно определить, сколько материала в действительности удаляет лазерный луч в направлении z (вглубь) заготовки. Поэтому, обычное устройство, например, не может точно контролировать глубину резки или сверления заготовки.Conventional devices for treating a workpiece with a laser beam introduced into a pressurized fluid jet are well known. However, "machining" the workpiece with such a conventional device is limited to through-cutting and through-drilling. The control of the processing process using such a device does not allow for a complete three-dimensional formation of the workpiece to obtain the finished part. Basically, this is due to the fact that the conventional device at best knows where in the workpiece, relative to the x-y coordinates, the laser beam is removing material, but does not know the z-axis location where material is being removed. As a consequence, the device is also unable to determine how much material the laser beam actually removes in the z direction (into) the workpiece. Therefore, a conventional device, for example, cannot accurately control the cutting or drilling depth of a workpiece.

Обычную трехмерную обработку заготовки выполняют либо посредством аддитивной технологии (AM), либо посредством технологии снятия (SM). В то время как "AM" относится к процессу, который строит требуемую трехмерную форму готовой детали путем осаждения материала, обычно послойного осаждения, "SM" относится к процессу, который удаляет материал с заготовки (сплошного тела), чтобы получить требуемую трехмерную форму готовой детали. Для многих практических приложений SM предпочтительнее, чем AM. Это так, потому что с использованием SM можно изготовить много деталей быстрее, более эффективно и более экономично.Conventional 3D machining of a workpiece is performed either by additive technology (AM) or by removal technology (SM). While "AM" refers to a process that builds the desired 3D shape of the finished part by material deposition, usually layer-by-layer deposition, "SM" refers to a process that removes material from the workpiece (solid body) to obtain the desired 3D shape of the finished part. . For many practical applications, SM is preferred over AM. This is so because many parts can be made faster, more efficiently and more economically using SM.

Кроме того, лазерная технология SM, т.е. удаление материала с заготовки с помощью лазерного луча, имеет преимущество, которое заключается в том, что ее можно комбинировать с обычными технологиями обработки, напр., фрезерованием, чтобы получить более эффективный общий процесс обработки. Однако обычная лазерная технология SM является сравнительно медленным и весьма неточным процессом.In addition, SM laser technology, i.e. Removing material from a workpiece using a laser beam has the advantage that it can be combined with conventional machining techniques such as milling to achieve a more efficient overall machining process. However, conventional SM laser technology is a comparatively slow and highly inaccurate process.

В виду вышесказанного, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы усовершенствовать обычную технологию SM для производства деталей с требуемыми трехмерными формами, в частности, чтобы повысить скорость и точность процесса. Для этого изобретение предполагает использовать преимущества устройства для механической обработки заготовки лазерным лучом, внесенным в струю текучей среды, посредством технологии SM. Соответственно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство и способ трехмерного формирования заготовки посредством удаления материала с помощью лазерного луча, который направляют с использованием струи текучей среды. В частности, устройство и способ должны быть способны формировать из заготовки готовую деталь, имеющую требуемую трехмерную форму. Процесс формирования должен быть быстрым и точным. Таким образом, устройство и способ в соответствии с изобретением также должны сделать SM-процесс более эффективным и экономичным, чем обычный SM-процесс.In view of the above, the purpose of the present invention is to improve the conventional SM technology for producing parts with desired three-dimensional shapes, in particular to improve the speed and accuracy of the process. To do this, the invention proposes to take advantage of the device for machining the workpiece with a laser beam introduced into the fluid jet, using SM technology. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for forming a workpiece three-dimensionally by removing material using a laser beam that is guided using a fluid jet. In particular, the apparatus and method must be capable of forming a finished part from the workpiece having the desired three-dimensional shape. The shaping process must be fast and accurate. Thus, the device and method according to the invention should also make the SM process more efficient and economical than the conventional SM process.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Цель настоящего изобретения достигается посредством решения, предложенного в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные реализации настоящего изобретения заданы в зависимых пунктах формулы изобретения.The purpose of the present invention is achieved by the solution proposed in the independent claims. Preferred embodiments of the present invention are defined in the dependent claims.

В частности, в настоящем изобретении предложено использовать лазерный луч, введенный в струю текучей среды для трехмерного формирования заготовки посредством удаления материала. Из заготовки с помощью лазерного луча формируют готовую деталь путем удаления материала с заготовки. Другими словами, готовую деталь получают посредством технологии SM.In particular, the present invention proposes to use a laser beam introduced into a fluid jet to form a workpiece three-dimensionally by removing material. A finished part is formed from the workpiece using a laser beam by removing material from the workpiece. In other words, the finished part is obtained through SM technology.

В первом аспекте изобретения предложено устройство для трехмерного формирования заготовки посредством удаления материала с помощью лазерного луча, при этом устройство содержит блок механической обработки, выполненный с возможностью подавать струю текучей среды под давлением на заготовку и вводить лазерный луч в струю текучей среды, направленную на заготовку, контроллер перемещения, выполненный с возможностью задавать x-y-z-положение заготовки относительно блока механической обработки, измерительный блок, выполненный с возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку в направлении по оси z.In a first aspect of the invention, there is provided a device for forming a workpiece three-dimensionally by removing material with a laser beam, the device comprising a machining unit configured to apply a pressurized fluid jet to the workpiece and to inject the laser beam into the fluid jet directed at the workpiece, a motion controller configured to set the x-y-z position of the workpiece relative to the machining unit, a measuring unit configured to measure the z-position of the point where the pressurized fluid jet impinges on the workpiece in the z-direction.

Контроллер перемещения позволяет перемещать заготовку в трех измерениях для того, чтобы можно было сформировать любые трехмерные контуры с помощью лазерного луча. Заданное x-y-z-положение относится к положению заготовки в предварительно заданной системе осей (координат) относительно исходного положения (0-0-0-положения). Тем самым, x-y-z-положение заготовки, заданное контроллером перемещения может быть определено путем позиционирования подвижной поверхности обработки, на которой находится заготовка. Контроллер перемещения также выполнен с возможностью перемещать заготовку вдоль направлений вращения (напр., для параллельного переноса, наклона или поворота). Контроллер перемещения предпочтительно способен изменять положение заготовки с высокой скоростью и высокой точностью. Таким образом, становится возможной трехмерная обработка заготовки посредством удаления материала с такой скоростью и точностью, которые на сегодняшний день недоступны. Как вариант, система осей перемещает блок механической обработки по всем линейным и круговым осям или по некоторым из этих осей.The motion controller allows you to move the workpiece in three dimensions so that you can form any three-dimensional contours using a laser beam. The predetermined x-y-z position refers to the position of the workpiece in a predefined axes (coordinate) system relative to the home position (0-0-0-position). Thereby, the x-y-z position of the workpiece specified by the motion controller can be determined by positioning the movable machining surface on which the workpiece rests. The motion controller is also configured to move the workpiece along the directions of rotation (eg, for parallel transfer, tilt, or rotation). The movement controller is preferably capable of changing the position of the workpiece at high speed and high accuracy. In this way, three-dimensional processing of the workpiece by means of material removal becomes possible with a speed and precision that is not possible today. Alternatively, the axis system moves the machining unit along all or some of the linear and rotary axes.

Во время процесса трехмерного формирования измерительный блок функционирует в качестве датчика глубины и предоставляет информацию о z-положении удаляемого материала в любой момент времени и в любом месте, т.е. где струя текучей среды и лазерный луч воздействуют на заготовку. Это z-положение обычно отличается от z-положения поверхности материала, заданного контроллером перемещения. Это z-положение может меняться, например, если струю текучей среды перемещают вдоль поверхности заготовки, или если лазерный луч удаляет материал с поверхности заготовки, т.е. осуществляет механическую обработку заготовки. Последнее перемещает точку падения глубже в заготовку. Одна причина задания z-положения также и контроллером перемещения заключается в том, чтобы обеспечивать контролируемый процесс формирования. Предпочтительно заготовку располагают так, чтобы струя текучей среды попадала на нее на таком расстоянии от точки создания струи текучей среды, которое постоянно находится в пределах заданного диапазона. Соответственно, заготовка всегда может взаимодействовать с частью струи текучей среды, которая наиболее эффективно направляет лазерный луч, даже если с заготовки в z-направлении удаляют все больше и больше материала. В частности, в этом документе термин "струя текучей среды" означает ламинарную струю текучей среды, способную направлять лазерный луч подобно волокну. Текучая среда, выпускаемая устройством, образует ламинарную струю текучей среды только на определенной длине, и за пределами этой длины струя текучей среды становится нестабильным потоком, который, в конце концов, распадается на капли.During the 3D shaping process, the measuring unit functions as a depth sensor and provides information about the z-position of the removed material at any time and in any place, i.e. where the fluid jet and the laser beam impact the workpiece. This z-position is usually different from the z-position of the material surface set by the motion controller. This z-position may change, for example, if the fluid jet is moved along the surface of the workpiece, or if the laser beam removes material from the surface of the workpiece, i. carries out mechanical processing of the workpiece. The latter moves the point of impact deeper into the workpiece. One reason for setting the z-position also by the motion controller is to provide a controlled shaping process. Preferably, the preform is positioned such that the fluid jet hits it at a distance from the point where the fluid jet is generated that is consistently within a predetermined range. Accordingly, the workpiece can always interact with the portion of the fluid jet that most effectively directs the laser beam, even as more and more material is removed from the workpiece in the z-direction. In particular, in this document, the term "fluid jet" means a laminar fluid jet capable of directing a laser beam like a fiber. The fluid emitted by the device forms a laminar fluid jet only over a certain length, and beyond this length the fluid jet becomes an unstable stream, which eventually breaks up into droplets.

В этом документе термин "измерение" z-положения точки падения струи текучей среды на заготовку включает в себя по меньшей мере одно активное измерение физической величины. Например, оно может включать в себя измерение временного интервала между моментом времени излучения волн измерительным блоком и моментом времени приема измерительным блоком волн, отраженных от заготовки. В качестве другого примера, оно может включать в себя измерение разности фаз различных волн, если применяют интерференционный принцип. В качестве другого примера, оно может включать в себя оптическое, электрическое или емкостное измерение длины струи текучей среды, определяющей линейный размер. "Измерение" z-положения не означает только оценку z-положения на основе, например, некоторых известных измерений устройства, заготовки и/или готовой детали. Измерение z-положения точки падения струи текучей среды на заготовку позволяет определять, сколько материала удаляет с заготовки в z-направлении лазерный луч в заданном x-y-положении. Эта информация очень важна для получения полной возможности трехмерного формирования. X-y-положения, в которых происходит удаление материала, можно получить из x-y-координат x-y-положения, заданного контроллером перемещения. Соответственно, устройство в соответствии с первым аспектом имеет полный контроль и всю информацию о положении процесса трехмерного формирования заготовки.In this document, the term "measuring" the z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece includes at least one active measurement of a physical quantity. For example, it may include measuring the time interval between the time the measurement unit emits waves and the time the measurement unit receives waves reflected from the workpiece. As another example, it may include measuring the phase difference of different waves if the interference principle is applied. As another example, it may include optical, electrical or capacitive measurement of the length of the fluid jet that determines the linear dimension. "Measuring" the z-position does not mean only estimating the z-position based on, for example, some known measurements of the device, workpiece, and/or finished part. Measuring the z-position of the point where the fluid jet hits the workpiece determines how much material is removed from the workpiece in the z-direction by the laser beam at a given x-y-position. This information is very important to get full 3D shaping capability. The x-y positions at which the material is removed can be obtained from the x-y coordinates of the x-y position specified by the motion controller. Accordingly, the device according to the first aspect has full control and all position information of the 3D blank forming process.

Соответственно, устройство предпочтительно выполнено с возможностью управлять трехмерным формированием заготовки посредством удаления материала на основе z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку.Accordingly, the apparatus is preferably configured to control the three-dimensional formation of the preform by removing material based on the z-position of the point of impact of the pressurized fluid jet on the preform.

В предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер лазера выполнен с возможностью регулировать мощность или энергию лазерного луча на основе x-y-z-положения, заданного контроллером перемещения, и z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку, измеренного измерительным блоком.In a preferred embodiment of the first aspect, the laser controller is configured to adjust the power or energy of the laser beam based on the x-y-z position given by the motion controller and the z-position of the pressure fluid jet impact point on the work piece measured by the measurement unit.

Таким образом, возможен быстрый, точный и полностью контролируемый процесс трехмерного формирования заготовки.In this way, a fast, precise and fully controlled 3D workpiece shaping process is possible.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта лазерный луч является импульсным, а устройство также содержит контроллер лазера, выполненный с возможностью отдельно регулировать энергию каждого лазерного импульса на основе x-y-z-положения, заданного контроллером перемещения для этого импульса лазера, и z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку, измеренного измерительным блоком до этого импульса лазера.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the laser beam is pulsed and the device also comprises a laser controller configured to separately adjust the energy of each laser pulse based on the x-y-z position given by the motion controller for that laser pulse and the z-position of the point of impact of the jet. fluid under pressure on the workpiece, measured by the measuring unit before this laser pulse.

Это означает, что энергия каждого лазерного импульса может быть отрегулирована устройством для определенной величины удаления материала в z-направлении (вглубь) заготовки (в заданном x-y-положении удаления материала лазером (лазерной абляции)). В частности, результат удаления материала каждым лазерным импульсом можно быстро и непосредственно контролировать. Следовательно, возможен быстрый и точный процесс трехмерного формирования заготовки.This means that the energy of each laser pulse can be adjusted by the device to a certain amount of material removal in the z-direction (deep) of the workpiece (at a given x-y-position of laser material removal (laser ablation)). In particular, the result of material removal by each laser pulse can be quickly and directly controlled. Therefore, a fast and accurate 3D blank forming process is possible.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью определять результат удаления от каждого лазерного импульса по z-положению точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку, измеренному измерительным блоком после этого импульса лазера, а контроллер лазера выполнен с возможностью регулировать энергию следующего лазерного импульса, исходя из определенного результата удаления.In another preferred embodiment of the first aspect, the measuring unit is configured to determine the result of the distance from each laser pulse from the z-position of the point of impact of the pressurized fluid jet on the workpiece, measured by the measuring unit after that laser pulse, and the laser controller is configured to adjust the energy the next laser pulse based on the defined removal result.

Таким образом, устройство получает информацию о количестве материала, которое было удалено в z-направлении с помощью последнего лазерного импульса, и может учитывать эту информацию при задании энергии для следующего лазерного импульса. Может произойти два лазерных импульса в различных x-y-положениях заготовки, чтобы удалить слой с поверхности заготовки. Однако два лазерных импульса также могут произойти в одном и том же x-y-положении заготовки, чтобы получить определенную величину удаления или для корректировки результата удаления. Следовательно, устройство выполнено с возможностью управлять абляцией в каждой точке заготовки, так что трехмерную обработку заготовки можно выполнять очень точно.Thus, the device receives information about the amount of material that was removed in the z-direction with the last laser pulse, and can take this information into account when setting the energy for the next laser pulse. Two laser pulses can be fired at different x-y positions of the workpiece to remove the layer from the surface of the workpiece. However, two laser pulses can also occur at the same x-y position of the workpiece to obtain a certain amount of removal or to correct the removal result. Therefore, the device is capable of controlling the ablation at each point of the workpiece, so that three-dimensional processing of the workpiece can be performed very accurately.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер лазера выполнен с возможностью управлять энергией каждого лазерного импульса посредством задания его ширины и/или амплитуды, и/или посредством задания частоты импульсов и, следовательно, временной задержки между последовательными импульсами, и/или посредством выдачи пакета импульсов.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the laser controller is configured to control the energy of each laser pulse by setting its width and/or amplitude, and/or by setting the pulse frequency and hence the time delay between successive pulses, and/or by issuing a burst impulses.

Таким образом, устройство оснащено несколькими средствами управления абляцией лазерным лучом, которые дополнительно повышают точность и эффективность процесса трехмерного формирования.Thus, the device is equipped with several laser beam ablation controls, which further improve the accuracy and efficiency of the 3D shaping process.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер лазера выполнен с возможностью управлять энергией каждого лазерного импульса, так чтобы он удалял материал на глубину от 1 до 1000 мкм в z-направлении в x-y-z-положении заготовки, заданном контроллером перемещения для указанного лазерного импульса.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the laser controller is configured to control the energy of each laser pulse so that it removes material to a depth of 1 to 1000 microns in the z-direction at the x-y-z position of the workpiece specified by the movement controller for said laser pulse.

Таким образом, устройство выполнено с возможностью устанавливать глубину удаления в z-направлении индивидуально в каждом x-y-z-положении. Соответственно, устройство выполнено с возможностью удалять один или несколько слоев материала с поверхности заготовки. Тем самым, удаленные слои могут иметь одинаковую или неодинаковую толщину от 1 до 1000 мкм, предпочтительно от 1 до 200 мкм.Thus, the device is configured to set the removal depth in the z-direction individually at each x-y-z position. Accordingly, the device is configured to remove one or more layers of material from the surface of the workpiece. Thus, the removed layers may have the same or unequal thickness from 1 to 1000 µm, preferably from 1 to 200 µm.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта устройство также содержит лазерный источник для генерации лазерного луча, причем лазерный источник включает в себя контроллер лазера и скоростной переключатель, предпочтительно лазерный затвор, для модуляции лазерных импульсов.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the apparatus also comprises a laser source for generating a laser beam, the laser source including a laser controller and a speed switch, preferably a laser shutter, for modulating the laser pulses.

Лазерный источник входит в состав устройства. Переключатель позволяет устройству воздействовать на быструю модуляцию лазерных импульсов и, таким образом, точно и индивидуально управлять их энергией от 0 до 100%. Соответственно, поддерживается быстрый и точный процесс трехмерного формирования.The laser source is included in the device. The switch allows the device to influence the fast modulation of the laser pulses and thus precisely and individually control their energy from 0 to 100%. Accordingly, a fast and accurate 3D shaping process is supported.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку в пределах периода времени между двумя последовательными импульсами лазера.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is configured to measure the z-position of the point of impact of the fluid jet on the workpiece within a period of time between two successive laser pulses.

Таким образом, на измерение z-положения, выполняемое посредством устройства, не влияет абляция материала, вызываемая импульсами лазерного луча. Следовательно, точность измерения z-положения можно повысить. Управление процессом трехмерного формирования также становится более простым.Thus, the z-position measurement performed by the device is not affected by material ablation caused by laser beam pulses. Therefore, the accuracy of the z-position measurement can be improved. The control of the 3D shaping process also becomes easier.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер перемещения выполнен с возможностью пошагово или непрерывно изменять x-y-z-положение заготовки относительно блока механической обработки после каждого лазерного импульса.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the motion controller is configured to incrementally or continuously change the x-y-z position of the workpiece relative to the machining unit after each laser pulse.

Таким образом, устройство способно импульсно удалять материал в заданном x-y-положении заготовки. Как следствие, становится возможным полностью цифровой процесс удаления материала. Слои или структуры материала могут быть удалены с поверхности заготовки. Удаленные слои могут охватывать всю поверхность или только часть поверхности. Таким образом, различные области поверхности заготовки могут быть по-разному удалены в z-направлении, тем самым обеспечивая возможность трехмерного формирования заготовки.Thus, the device is capable of pulsed removal of material at a predetermined x-y position of the workpiece. As a consequence, a fully digital material removal process becomes possible. Layers or structures of material can be removed from the surface of the workpiece. The removed layers may cover the entire surface or only part of the surface. Thus, different areas of the surface of the workpiece can be differently spaced in the z-direction, thereby enabling three-dimensional formation of the workpiece.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер перемещения выполнен с возможностью ускорять или замедлять изменение x-y-z-положения заготовки при перемещении заготовки вдоль траектории, а контроллер лазера выполнен с возможностью соответственно увеличивать или уменьшать частоту лазерных импульсов, так чтобы число лазерных импульсов на единицу расстояния оставалось постоянным вдоль траектории.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the motion controller is configured to speed up or slow down the change in the x-y-z position of the workpiece as the workpiece moves along the path, and the laser controller is configured to increase or decrease the frequency of the laser pulses accordingly, so that the number of laser pulses per unit distance remains constant along the trajectory.

Таким образом, можно дополнительно повысить точность процесса удаления. В частности, контроллер лазера также может подавать более высокое или более низкое число лазерных импульсов во время определенной фазы перемещения или в определенных областях заготовки. Например, если более высокая или более низкая точность (или требуется удалить больше или меньше материала), достижимая с использованием большего или меньшего числа лазерных импульсов, необходима только локально.Thus, the accuracy of the removal process can be further improved. In particular, the laser controller can also deliver a higher or lower number of laser pulses during a certain phase of movement or in certain areas of the workpiece. For example, if higher or lower accuracy (or more or less material needs to be removed) achievable using more or fewer laser pulses is only needed locally.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер перемещения выполнен с возможностью многократно изменять x-y-z-положение заготовки так, чтобы лазерный луч сканировал поверхность заготовки в плоскости x-y.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the motion controller is configured to repeatedly change the x-y-z position of the workpiece so that the laser beam scans the surface of the workpiece in the x-y plane.

Например, x-y-z-положение может быть изменено после каждого лазерного импульса. Таким образом, могут быть удалены слои, покрывающие всю поверхность заготовки (или только часть поверхности заготовки). Это допускает точное и гибкое трехмерное формирование готовой детали из заготовки.For example, the x-y-z position can be changed after each laser pulse. Thus, layers covering the entire surface of the workpiece (or only part of the surface of the workpiece) can be removed. This allows precise and flexible 3D shaping of the finished part from the workpiece.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта устройство выполнено с возможностью выборочно включать или отключать лазерный луч во время сканирования поверхности заготовки в зависимости от x-y-z-положения, заданного контроллером перемещения.In another preferred embodiment of the first aspect, the device is configured to selectively turn on or turn off the laser beam during scanning of the surface of the workpiece depending on the x-y-z position given by the motion controller.

Лазерный луч может быть выборочно включен или отключен посредством скоростного переключателя лазерного источника, например лазерного затвора, во время непрерывного перемещения ("на лету"). Контроллер перемещения в различных x-y-z-положениях во время перемещения может подать сигнал на контроллер лазера, который может соответственно управлять переключателем. Как следствие, лазерный луч может быть включен и, таким образом, удалять материал в некоторых x-y-z-положениях, заданных контроллером перемещения, и может быть отключен и, таким образом, не удалять материал в некоторых x-y-z-положениях, заданных контроллером перемещения. Таким образом, абляция материала происходит только в некоторых положениях или в некоторых областях на поверхности заготовки в зависимости от положения заготовки относительно блока механической обработки, при этом скорость является постоянной, что также означает, что глубина удаления является постоянной. Таким образом, устройство обладает преимуществом быстрой обработки.The laser beam can be selectively turned on or off by a high speed laser source switch, such as a laser shutter, during continuous ("on the fly") movement. The movement controller at various x-y-z positions during movement can signal the laser controller, which can control the switch accordingly. As a consequence, the laser beam can be turned on and thus remove material at some x-y-z positions given by the motion controller, and can be turned off and thus not remove material at some x-y-z positions given by the move controller. Thus, material ablation occurs only in some positions or in some areas on the surface of the workpiece, depending on the position of the workpiece relative to the machining unit, while the speed is constant, which also means that the depth of removal is constant. Thus, the device has the advantage of fast processing.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта устройство также выполнено с возможностью формировать заготовку посредством послойного удаления множества слоев материала заготовки с помощью лазерного луча.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the device is also configured to form a workpiece by layer-by-layer removal of a plurality of layers of workpiece material using a laser beam.

Как упоминалось выше, слои могут иметь толщину от 1 до 1000 мкм, а также могут иметь неравномерную толщину. Кроме того, каждый слой может занимать различные части поверхности заготовки. Соответственно, возможно послойное точное формирование заготовки требуемой трехмерной формы.As mentioned above, the layers may have a thickness of 1 to 1000 microns, and may also have a non-uniform thickness. In addition, each layer can occupy different parts of the workpiece surface. Accordingly, layer-by-layer accurate formation of the workpiece of the required three-dimensional shape is possible.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта каждый из множества слоев занимает индивидуально заданную область в плоскости x-y и имеет индивидуально заданную одинаковую или неодинаковую толщину по направлению z.In yet another preferred embodiment of the first aspect, each of the plurality of layers occupies an individually defined area in the x-y plane and has an individually defined uniform or unequal thickness in the z direction.

Площадь и толщина каждого слоя может быть задана индивидуально. Таким образом, удаление множества отдельных слоев приводит к общему удаленному объему материала заготовки, в результате чего получается готовая трехмерная деталь, состоящая из оставшегося материала заготовки.The area and thickness of each layer can be set individually. Thus, the removal of many individual layers results in a total volume of workpiece material removed, resulting in a finished three-dimensional part consisting of the remaining workpiece material.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта устройство также содержит процессор, выполненный с возможностью вычислять послойное представление удаленного объема заготовки, причем устройство выполнено с возможностью формировать заготовку посредством удаления нескольких слоев материала заготовки на основе вычисленного послойного представления.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the device also includes a processor configured to calculate a layered representation of the removed workpiece volume, wherein the device is configured to form the workpiece by removing multiple layers of workpiece material based on the calculated layered representation.

Послойное представление вычисляют до или во время процесса трехмерного формирования, и оно выступает в качестве цифрового ввода, который определяет общий объем и форму удаленного материала заготовки. Соответственно, достигают полного и точного контроля над процессом удаления. Послойное представление также позволяет выполнять регулировку во время процесса удаления материала.The layered representation is computed before or during the 3D shaping process and acts as a digital input that determines the total volume and shape of the material removed from the workpiece. Accordingly, complete and precise control over the removal process is achieved. The layered view also allows adjustments to be made during the material removal process.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер лазера выполнен с возможностью управлять энергией лазерного луча также на основе послойного представления, полученного от процессора.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the laser controller is configured to control the laser beam energy also based on the layered representation received from the processor.

В частности, контроллер лазера может управлять энергией каждого лазерного импульса на основе послойного представления. Послойное представление выступает в качестве цифрового ввода или программы для устройства и, таким образом, позволяет выполнять точный и полный процесс трехмерного удаления материала.In particular, the laser controller may control the energy of each laser pulse on a layered basis. The layered representation acts as a digital input or program to the device and thus allows for an accurate and complete 3D material removal process.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью передавать в качестве обратной связи измеренное z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку в процессор, а процессор выполнен с возможностью пересчитывать послойное представление, в частности количество слоев послойного представления, на основе обратной связи от измерительного блока.In another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is configured to feed back the measured z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece to the processor, and the processor is configured to recalculate the layered representation, in particular the number of layers of the layered representation, based on feedback from the measuring unit.

Таким образом, процесс удаления можно регулировать для повышения его точности. Например, если абляция материала, запланированная в определенной позиции или с определенным лазерным импульсом, не совпадает с результатом удаления материала, то это отклонение может быть учтено, чтобы компенсировать и обеспечить точность процесса трехмерного формирования.Thus, the removal process can be adjusted to improve its accuracy. For example, if material ablation scheduled at a certain position or with a certain laser pulse does not match the result of material removal, then this deviation can be taken into account to compensate and ensure the accuracy of the 3D shaping process.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта процессор выполнен с возможностью пересчитывать послойное представление после удаления с заготовки каждого слоя материала заготовки.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the processor is configured to recalculate the layered representation after removing each layer of material from the workpiece from the workpiece.

Таким образом, погрешности и отклонения от запланированного результата удаления, как и неравномерности, которые возникают во время процесса формирования, могут быть своевременно скорректированы. Как следствие, повышают точность трехмерного формирования готовой детали из заготовки.Thus, errors and deviations from the planned removal result, as well as irregularities that occur during the formation process, can be corrected in a timely manner. As a result, the accuracy of the three-dimensional formation of the finished part from the workpiece is increased.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок также выполнен с возможностью определять первый уклон и/или неровность поверхности последнего удаленного слоя материала заготовки путем сканирования поверхности заготовки в плоскости x-y и, таким образом, измерения z-положений множества точек падения струи текучей среды на заготовку и второй уклон и/или неровность поверхности заготовки, а устройство выполнено с возможностью удаления по меньшей мере следующего слоя или следующих слоев на основе первого уклона и/или неровности поверхности, определенных измерительным блоком.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the measuring unit is also configured to determine the first slope and/or surface roughness of the last removed layer of workpiece material by scanning the surface of the workpiece in the x-y plane and thereby measuring the z-positions of a plurality of points of impact of the fluid jet on the workpiece and the second slope and/or surface roughness of the workpiece, and the device is configured to remove at least the next layer or next layers based on the first slope and/or surface roughness determined by the measuring unit.

Любой нежелательный уклон или неровность, возникающие во время процесса удаления, таким образом, могут быть скорректированы посредством следующего слоя или начиная с него. Может потребоваться один или несколько слоев, чтобы полностью компенсировать уклон и/или неровность. Следовательно, можно избежать того, что отклонение от ожидаемого результата удаления ухудшается во время процесса и - в худшем случае - в какой-то момент становится неисправимым.Any unwanted slope or unevenness that occurs during the removal process can thus be corrected by or from the next layer. One or more coats may be required to fully compensate for slope and/or unevenness. Therefore, it can be avoided that the deviation from the expected removal result worsens during the process and - in the worst case - becomes uncorrectable at some point.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта контроллер лазера выполнен с возможностью индивидуально адаптировать, по меньшей мере для следующего слоя, энергию каждого лазерного импульса и/или траекторию перемещения заготовки путем изменения x-y-z-положения после каждого лазерного импульса на основе первого уклона и/или неровности поверхности, определенной измерительным блоком.In another preferred embodiment of the first aspect, the laser controller is configured to individually adapt, at least for the next layer, the energy of each laser pulse and/or the path of the workpiece by changing the x-y-z position after each laser pulse based on the first slope and/or unevenness. surface defined by the measuring unit.

Из-за относительного перемещения между заготовкой и струей текучей среды изменение траектории движения заготовки также означает изменение траектории струи текучей среды при ее перемещении по поверхности заготовки. Изменение траектории движения заготовки может, в частности, включать в себя изменение направления движения, скорости движения, ускорения и/или радиуса искривленного движения.Due to the relative movement between the preform and the fluid jet, changing the trajectory of the preform also means changing the trajectory of the fluid jet as it travels over the surface of the preform. Changing the path of movement of the workpiece may, in particular, include changing the direction of movement, speed of movement, acceleration and/or radius of curved movement.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку с использованием электромагнитного излучения или акустических волн.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is configured to measure the z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece using electromagnetic radiation or acoustic waves.

Электромагнитное излучение или акустические волны предпочтительно выбирают так, чтобы они не приводили к удалению материала с заготовки. Таким образом, становится возможным точное определение z-положения точки падения струи текучей среды на заготовку без помех процессу удаления.The electromagnetic radiation or acoustic waves are preferably chosen so that they do not lead to the removal of material from the workpiece. Thus, it becomes possible to accurately determine the z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece without interfering with the removal process.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку путем измерения длины струи текучей среды, определяющей линейный размер (характеристическая длина).In another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is configured to measure the z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece by measuring the length of the fluid jet defining the linear dimension (characteristic length).

Например, измерительный блок может посредством интерференции измерять длину струи текучей среды, определяющей линейный размер, при этом лазерный свет направляют в струе текучей среды. Характеристическая длина может быть ограничена определенным характеристическим диапазоном. Изменения измеренной характеристической длины могут обеспечить точное указание, например, полной длины струи текучей среды между блоком механической обработки и заготовкой и, таким образом, z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку.For example, the measuring unit can measure the length of the fluid jet that determines the linear dimension by means of interference, while laser light is directed into the fluid jet. The characteristic length may be limited to a certain characteristic range. Changes in the measured characteristic length may provide an accurate indication of, for example, the total length of the fluid jet between the machining unit and the workpiece, and thus the z-position of the point of impact of the fluid jet on the workpiece.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок выполнен с возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку через струю текучей среды.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is configured to measure the z-position of the point where the fluid jet impinges on the workpiece through the fluid jet.

В частности, измерительный блок, например, может отправлять на заготовку электромагнитное излучение или акустические волны через струю текучей среды. Электромагнитное излучение или акустические волны соответственно направляют посредством струи текучей среды точно в x-y-положение заготовки, z-положение которого необходимо измерить. Отраженное электромагнитное излучение или акустические волны также могут быть направлены в струе текучей среды обратно на измерительный блок. На основе, например, интервала времени между отправкой и приемом электромагнитного излучения или акустических волн можно с высокой точностью определить z-положение точки падения струи текучей среды на заготовку. Соответственно, становится возможным очень точный процесс удаления материала.In particular, the measuring unit, for example, can send electromagnetic radiation or acoustic waves to the workpiece through the fluid jet. Electromagnetic radiation or acoustic waves are respectively directed by means of a fluid jet exactly to the x-y position of the workpiece whose z-position is to be measured. Reflected electromagnetic radiation or acoustic waves can also be directed in the fluid jet back to the measuring unit. Based on, for example, the time interval between sending and receiving electromagnetic radiation or acoustic waves, the z-position of the point of incidence of the fluid jet on the workpiece can be determined with high accuracy. Accordingly, a very precise material removal process becomes possible.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления первого аспекта измерительный блок интегрирован в блок механической обработки.In yet another preferred embodiment of the first aspect, the measurement unit is integrated into the machining unit.

Таким образом, устройство становится очень компактным и обладает возможностью измерять z-положение точки падения струи текучей среды на любую часть заготовки.Thus, the device becomes very compact and has the ability to measure the z-position of the point of impact of the fluid jet on any part of the workpiece.

Во втором аспекте настоящего изобретения предложен способ трехмерного формирования заготовки посредством удаления материала с помощью лазерного луча, при этом способ включает подачу струи текучей среды под давлением на заготовку и ввод лазерного луча в струю текучей среды, направленную на заготовку, задание x-y-z-положения заготовки относительно струи текучей среды, измерение z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку.In a second aspect of the present invention, there is provided a method for forming a workpiece in three dimensions by removing material with a laser beam, the method comprising applying a pressurized fluid jet to the workpiece and injecting the laser beam into the fluid jet directed at the workpiece, setting the x-y-z position of the workpiece relative to the jet fluid medium, measuring the z-position of the point of impact of the pressurized fluid jet on the workpiece.

Преимущественно, способ также включает регулирование энергии лазерного луча на основе заданного x-y-z-положения и измеренного z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку.Advantageously, the method also includes adjusting the energy of the laser beam based on a predetermined x-y-z position and a measured z-position of the point of impact of the pressurized fluid jet on the workpiece.

В предпочтительном варианте осуществления второго аспекта способ включает ввод импульсного лазерного луча в струю текучей среды, задание x-y-z-положения заготовки для каждого лазерного импульса, измерение z-положения точки падения струи текучей среды перед каждым лазерным импульсом и отдельно регулирование энергии каждого лазерного импульса на основе x-y-z-положения, заданного для этого лазерного импульса, и z-положения точки падения струи текучей среды под давлением на заготовку, измеренного перед этим лазерным импульсом.In a preferred embodiment of the second aspect, the method includes injecting a pulsed laser beam into the fluid jet, setting the x-y-z position of the workpiece for each laser pulse, measuring the z-position of the fluid jet's point of incidence before each laser pulse, and separately adjusting the energy of each laser pulse based on x-y-z - the position given for this laser pulse, and the z-position of the point of impact of the pressurized fluid jet on the workpiece, measured before this laser pulse.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления второго аспекта способ включает сканирование поверхности заготовки в плоскости x-y и определение профиля поверхности, измеряя z-положения множества точек падения струи текучей среды на заготовку, и задание индивидуально энергии каждого лазерного импульса и/или траектории перемещения заготовки посредством изменения x-y-z-положения после каждого лазерного импульса на основе определенного профиля поверхности.In another preferred embodiment of the second aspect, the method includes scanning the surface of the workpiece in the x-y plane and determining the surface profile by measuring the z-positions of a plurality of points of impact of the fluid jet on the workpiece, and individually setting the energy of each laser pulse and/or the trajectory of the workpiece by changing x-y-z -Positions after each laser pulse based on a defined surface profile.

Способ в соответствии со вторым аспектом обеспечивает такие же эффекты и преимущества, которые были описаны выше для устройства в соответствии с первым аспектом. В частности, способ в соответствии со вторым аспектом может быть выполнен в соответствии с вариантами осуществления, описанными выше для устройства в соответствии с первым аспектом. Способ может быть выполнен посредством устройства в соответствии с первым аспектом.The method according to the second aspect provides the same effects and advantages as described above for the device according to the first aspect. In particular, the method according to the second aspect may be performed according to the embodiments described above for the device according to the first aspect. The method can be performed by the device according to the first aspect.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Вышеописанные аспекты и предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения объяснены в последующем описании конкретных вариантов осуществления изобретения в отношении прилагаемых чертежей.The above-described aspects and preferred embodiments of the present invention are explained in the following description of specific embodiments of the invention with respect to the accompanying drawings.

На фиг. 1 показано устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.In FIG. 1 shows a device in accordance with an embodiment of the present invention.

На фиг. 2 показаны возможности управления энергией лазерного импульса посредством устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.In FIG. 2 shows the possibilities of controlling the energy of a laser pulse by means of a device in accordance with an embodiment of the present invention.

На фиг. 3 показана адаптация частоты лазера и числа лазерных импульсов к скорости перемещения заготовки устройством в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.In FIG. 3 shows the adaptation of the laser frequency and the number of laser pulses to the speed of movement of the workpiece by the device in accordance with an embodiment of the present invention.

На фиг. 4 показано устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 4 shows a device according to an embodiment of the invention.

На фиг. 5 показано (a) устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения и (b) схема измерения z-положения между двумя лазерными импульсами.In FIG. 5 shows (a) an apparatus according to an embodiment of the invention and (b) a circuit for measuring the z-position between two laser pulses.

На фиг. 6 показано послойное представление предназначенного для удаления объема, рассчитанное в устройстве в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 6 shows a layered representation of the volume to be removed calculated in an apparatus in accordance with an embodiment of the invention.

На фиг. 7 показано сканирование поверхности заготовки лазерным лучом, внесенным в струю текучей среды, выполняемое в устройстве в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 7 shows the scanning of the workpiece surface with a laser beam introduced into a fluid jet, performed in an apparatus in accordance with an embodiment of the invention.

На фиг. 8 показана послойная абляция материала заготовки посредством устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.In FIG. 8 shows layer-by-layer ablation of preform material by means of a device in accordance with an embodiment of the present invention.

На фиг. 9 показана корректировка уклона и/или неровности поверхности, выполняемая посредством устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.In FIG. 9 shows slope and/or surface roughness correction performed by an apparatus in accordance with an embodiment of the present invention.

На фиг. 10 показан способ в соответствии с вариантом осуществления изобретения.In FIG. 10 shows a method in accordance with an embodiment of the invention.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

На фиг. 1 показано устройство 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. В частности, на фиг. 1 показано устройство 100, которое выполнено с возможностью формировать заготовку 101 посредством удаления материала с помощью лазерного луча 102 вплоть до трех измерений (полностью трехмерное формирование). Для этого устройство 100 содержит по меньшей мере блок 103 механической обработки, контроллер 105 перемещения и измерительный блок 107. Предпочтительно, устройство 100 также содержит контроллер 106 лазера, который управляет лазерным источником 110, генерирующим лазерный луч 102. Таким образом, лазерный источник 110 представляет собой часть устройства 100. Контроллер 106 лазера и лазерный источник 110 показаны на фиг. 1 пунктирной линией.In FIG. 1 shows a device 100 in accordance with an embodiment of the invention. In particular, in FIG. 1 shows an apparatus 100 which is configured to shape a workpiece 101 by removing material with a laser beam 102 up to three dimensions (fully three-dimensional shaping). To this end, the device 100 includes at least a machining unit 103, a movement controller 105, and a measurement unit 107. Preferably, the device 100 also includes a laser controller 106 that controls a laser source 110 that generates a laser beam 102. Thus, the laser source 110 is part of apparatus 100. Laser controller 106 and laser source 110 are shown in FIG. 1 dotted line.

Блок 103 механической обработки выполнен с возможностью подавать струю 104 текучей среды под давлением, причем жидкость предпочтительно представляет собой воду, на заготовку 101 и вносить лазерный луч 102 в струю 104 текучей среды по направлению к заготовке 101. Лазерный луч 102, в частности, представляет собой высокоинтенсивный лазерный луч, пригодный для резки и формирования материалов, включающих в себя, но не ограничиваясь, металлы, керамику, алмазы, полупроводники, сплавы, суперсплавы или сверхтвердые материалы. Лазерный луч 102, например, может иметь мощность лазерного излучения от 1 до 2000 Вт.The machining unit 103 is configured to deliver a pressurized fluid jet 104, the liquid preferably being water, onto the workpiece 101 and to introduce a laser beam 102 into the fluid jet 104 towards the workpiece 101. The laser beam 102 is specifically a high intensity laser beam suitable for cutting and shaping materials including, but not limited to, metals, ceramics, diamonds, semiconductors, alloys, superalloys, or superhard materials. The laser beam 102, for example, may have a laser power of 1 to 2000 watts.

Контроллер 105 перемещения выполнен с возможностью задавать x-y-z-положение заготовки 101 относительно блока 103 механической обработки, т.е. управлять перемещением заготовки 101 в трех измерениях. Для этого контроллер 105 перемещения может перемещать либо заготовку 101, либо блок 103 механической обработки, либо сочетать перемещение заготовки 101 и блока 103 механической обработки. Заготовка 101 может быть расположена на поверхности обработки, которая может быть или не быть частью устройства 100. В любом случае устройство 100 устроено так, что оно способно обрабатывать заготовку 101, расположенную на поверхности обработки. Как показано на фиг. 1, контроллер 105 перемещения может предоставить x-y-z-положение, в которое необходимо установить подвижную поверхность обработки, на которой расположена заготовка 101, а затем, поверхность обработки может занять это положение в предварительно откалиброванной системе осей (координат).The motion controller 105 is configured to set the x-y-z position of the workpiece 101 relative to the machining unit 103, i. e. control the movement of the workpiece 101 in three dimensions. To this end, the movement controller 105 may move either the workpiece 101 or the machining unit 103, or a combination of the movement of the workpiece 101 and the machining unit 103. The workpiece 101 may be located on a work surface, which may or may not be part of the device 100. In any case, the device 100 is configured to process workpiece 101 located on the work surface. As shown in FIG. 1, the motion controller 105 can provide an x-y-z position to set the movable work surface on which the workpiece 101 is located, and then the work surface can take that position in a pre-calibrated axis (coordinate) system.

Измерительный блок 107 выполнен с возможностью измерять z-положение z_p точки падения 108 струи 104 текучей среды под давлением (и, таким образом, также лазерного луча 102) на заготовку 101 в направлении z. Точка 108 падения может находиться на поверхности 109 заготовки, либо она может лежать за пределами поверхности 109 заготовки, т.е. если лазерный луч 102 уже удалил материал заготовки в этом x-y-положении. То есть, точка 108 падения может находиться во впадине или в углублении 111 на поверхности 109 заготовки, как показано на фиг. 1. Измерительный блок 107 можно назвать датчиком глубины, так как измеренное положение z_p указывает z-положение удаления материала, т.е. глубину, на которую обработана заготовка лазерным лучом 102. Измерительный блок 107 предпочтительно способен измерять несколько положений z_p точек 108 падения в направлении z, в частности, если струю 104 текучей среды перемещают вдоль поверхности 109 заготовки. Таким образом, измерительный блок 107 может измерять точный профиль поверхности заготовки 101. В частности, направление распространения струи 104 текучей среды предпочтительно вдоль вертикального направления, но также и под углом к вертикальному направлению. Так как струя 104 текучей среды находится под давлением, то струя 104 текучей среды всегда будет распространяться линейно. Направление z может быть параллельно вертикальному направлению и/или направлению распространения струи 104 текучей среды, но не обязательно. Плоскость x-y, в общем, перпендикулярна направлению z.The measuring unit 107 is configured to measure the z-position z _p of the point of incidence 108 of the pressurized fluid jet 104 (and thus also the laser beam 102) on the workpiece 101 in the z direction. The drop point 108 may be on the workpiece surface 109, or it may lie outside the workpiece surface 109, i. e. if the laser beam 102 has already removed the workpiece material at that xy position. That is, the drop point 108 may be in a depression or depression 111 on the surface 109 of the workpiece, as shown in FIG. 1. The measuring unit 107 can be called a depth sensor since the measured position z _p indicates the z-position of material removal, i.e. the depth to which the workpiece has been treated with laser beam 102. The measuring unit 107 is preferably capable of measuring multiple positions z _p of the points 108 of incidence in the z direction, particularly if the fluid jet 104 is moved along the surface 109 of the workpiece. Thus, the measuring unit 107 can measure the exact surface profile of the workpiece 101. In particular, the direction of propagation of the fluid jet 104 is preferably along the vertical direction, but also at an angle to the vertical direction. Since the fluid jet 104 is under pressure, the fluid jet 104 will always propagate linearly. The z direction may be parallel to the vertical direction and/or the direction of propagation of the fluid jet 104, but need not be. The xy plane is generally perpendicular to the z direction.

Необязательный, но предпочтительный контроллер 106 лазера выполнен с возможностью подавать лазерный луч 102 на блок 103 механической обработки. Контроллеру 106 лазера предпочтительно предоставляют x-y-положение заготовки 101, заданное контроллером 105 перемещения. Кроме того, контроллеру 106 лазера может быть предоставлено z-положение последней измеренной точки 108 падения на заготовку 101. Предпочтительно, контроллер 106 лазера может регулировать мощность лазерного луча 102 на основе x-y-z-положения, заданного контроллером 105 перемещения и/или на основе одного или нескольких z-положений z_p, измеренных измерительным блоком 107.Optional but preferred laser controller 106 is configured to apply laser beam 102 to machining unit 103 . The laser controller 106 is preferably provided with the xy position of the workpiece 101 given by the movement controller 105 . In addition, the laser controller 106 may be provided with the z-position of the last measured point 108 of incidence on the workpiece 101. Preferably, the laser controller 106 may adjust the power of the laser beam 102 based on the xyz-position given by the movement controller 105 and/or based on one or more z-positions z _p measured by the measuring unit 107.

Преимущественно, лазерный луч 102, используемый устройством 100, может быть импульсным. Для этого, лазерный источник 110 может быть выполнен с возможностью обеспечивать импульсный лазерный луч 102, а контроллер 106 лазера предпочтительно выполнен с возможностью управлять шириной, амплитудой, частотой импульса и т.д. В этом случае контроллер 106 лазера предпочтительно может быть выполнен с возможностью регулировать энергию каждого лазерного импульса 200 на основе x-y-z-положения, заданного контроллером 105 перемещения для упомянутого лазерного импульса 200, а также на основе z-положения z_p точки 108 падения струи 104 текучей среды под давлением на заготовку 101, измеренного измерительным блоком 107 перед упомянутым лазерным импульсом 200. Таким образом, вызываемую лазером абляцию материала заготовки можно регулировать отдельно для каждого лазерного импульса 200, в частности, быстро и непосредственно. Таким образом, возможно точное трехмерное формирование заготовки 101. В частности, если контроллер 106 лазера и контроллер 105 перемещения допускают высокоскоростную работу, то очень точные трехмерные контуры могут быть получены быстрее и точнее, чем с помощью любой известной технологии.Advantageously, the laser beam 102 used by the device 100 may be pulsed. To this end, the laser source 110 may be configured to provide a pulsed laser beam 102, and the laser controller 106 is preferably configured to control the pulse width, amplitude, frequency, and so on. In this case, the laser controller 106 may preferably be configured to adjust the energy of each laser pulse 200 based on the xyz position given by the motion controller 105 for said laser pulse 200, and also based on the z-position z _p of the point 108 of incidence of the fluid jet 104 pressure on the workpiece 101 measured by the measuring unit 107 before said laser pulse 200. In this way, the laser-induced ablation of the material of the workpiece can be adjusted separately for each laser pulse 200, in particular quickly and directly. Thus, accurate 3D shaping of the workpiece 101 is possible. In particular, if the laser controller 106 and the motion controller 105 are capable of high-speed operation, then very precise 3D contours can be obtained faster and more accurately than any known technology.

На фиг. 2 показано, как устройство 100 может управлять энергией одного или нескольких лазерных импульсов 200, в частности, посредством контроллера 106 лазера. На фиг. 2(а) показано, что контроллер 106 лазера может быть выполнен с возможностью задавать ширину лазерного импульса. На фиг. 2(а) показано, что все лазерные импульсы 200 имеют амплитуду 100%, но лазерные импульсы 200 имеют различные значения ширины (т.е. продолжительности), которые обозначены через τ1, τ2 и τ3. Соответственно энергия, передаваемая каждым лазерным импульсом 200, различна.In FIG. 2 shows how the device 100 can control the energy of one or more laser pulses 200, in particular, through the controller 106 of the laser. In FIG. 2(a) shows that the laser controller 106 may be configured to set the width of the laser pulse. In FIG. 2(a) shows that all of the laser pulses 200 have an amplitude of 100%, but the laser pulses 200 have different widths (ie durations), which are denoted by τ1, τ2 and τ3. Accordingly, the energy transmitted by each laser pulse 200 is different.

На фиг. 2(b) показано, что контроллер 106 лазера также может быть выполнен с возможностью задавать амплитуду лазерного импульса 200. Опять показано три лазерных импульса 200. Однако только первый лазерный импульс 200 имеет амплитуду А1, равную 100%. Другие лазерные импульсы 200 имеют более низкую амплитуду А1 или А3 соответственно. Соответственно энергия каждого лазерного импульса 200 различна.In FIG. 2(b) shows that the laser controller 106 can also be configured to set the amplitude of the laser pulse 200. Again, three laser pulses 200 are shown. However, only the first laser pulse 200 has an amplitude A1 of 100%. Other laser pulses 200 have lower amplitude A1 or A3, respectively. Accordingly, the energy of each laser pulse 200 is different.

На фиг. 2(с) показано, что контроллер 106 лазера также может управлять частотой импульсов и, как следствие, временной задержкой между последовательными импульсами 200. Кроме того, контроллер 106 лазера также может быть выполнен с возможностью выдавать пакет 201 импульсов. Первые три импульса 200 (слева на фиг. 2(с)) содержат пакет 201 импульсов и соответственно имеют более короткие временные задержки Δ1 между последовательными импульсами 200. Все импульсы 200 могут иметь одинаковую ширину τ0 импульса. В отличие от них, вторые три лазерных импульса 200 (справа на фиг. 2(с)) имеют более длительные временные задержки Δ2 между последовательными импульсами 200, т.е. частота импульсов для этих трех лазерных импульсов 200 ниже. Таким образом, лазерным лучом 102 с пакетом 201 импульсов и с указанными другими импульсами 200 обеспечиваются соответственно различные значения энергии на единицу времени.In FIG. 2(c) shows that the laser controller 106 can also control the pulse rate and hence the time delay between successive pulses 200. In addition, the laser controller 106 can also be configured to output a burst 201 of pulses. The first three pulses 200 (on the left side of FIG. 2(c)) comprise a burst 201 of pulses and accordingly have shorter time delays Δ1 between successive pulses 200. All pulses 200 may have the same pulse width τ0. In contrast, the second three laser pulses 200 (on the right in FIG. 2(c)) have longer time delays Δ2 between successive pulses 200, i.e. the pulse frequency for these three laser pulses 200 is lower. Thus, the laser beam 102 with the pulse train 201 and with the other pulses 200 mentioned respectively provide different values of energy per unit time.

Предпочтительно, контроллер 105 лазера также выполнен с возможностью изменять x-y-z-положение заготовки 101 относительно блока 103 механической обработки. В частности, если лазерный луч является импульсным, то контроллер 105 перемещения может менять положение заготовки 101 после каждого лазерного импульса 200. Тем самым, положение заготовки может быть изменено пошагово или непрерывно. Также возможно, что контроллер 105 перемещения ускоряет или замедляет изменение x-y-z-положения заготовки 101, перемещая при этом заготовку 101 вдоль траектории. Это показано на фиг. 3(1), на которой скорость перемещения заготовки 101 меняется с течением времени. В частности, заготовку можно перемещать по x-, y-, z-оси или по направлениям A, B, C вращения.Preferably, the laser controller 105 is also configured to change the x-y-z position of the workpiece 101 relative to the machining unit 103. In particular, if the laser beam is pulsed, then the movement controller 105 may change the position of the workpiece 101 after each laser pulse 200. Thus, the position of the workpiece may be changed step by step or continuously. It is also possible that the movement controller 105 accelerates or decelerates the change in the x-y-z position of the workpiece 101 while moving the workpiece 101 along the path. This is shown in FIG. 3(1), in which the movement speed of the workpiece 101 changes over time. In particular, the workpiece can be moved along the x-, y-, z-axis or along the directions A, B, C of rotation.

Контроллер 106 лазера может быть выполнен с возможностью увеличивать или уменьшать частоту лазерных импульсов (как показано на фиг. 3(2)), так что число лазерных импульсов 200 на единицу расстояния является постоянным вдоль траектории перемещения (показано на фиг. 3(3)). Поэтому, контроллер 105 перемещения может предоставлять контроллеру 105 лазера информацию о том, что число импульсов 200 вдоль траектории должно оставаться постоянным в любой фазе ускорения и замедления системы осей. Тем не менее, контроллер 105 перемещения также может информировать или инструктировать контроллер 105 лазера о том, чтобы адаптировать число импульсов 200 в зависимости от скорости, например, для того чтобы выполнить больше импульсов 200 при выполнении вращательного движения с радиусом, напр., менее 1 мм. Кроме того, схема на фиг. 3 не только применима по отношению к частоте лазера (частоте импульсов), но также и к другим параметрам адаптации лазерной энергии, которые показаны на фиг. 2.The laser controller 106 may be configured to increase or decrease the frequency of the laser pulses (as shown in FIG. 3(2)), so that the number of laser pulses 200 per unit distance is constant along the travel path (shown in FIG. 3(3)) . Therefore, the motion controller 105 can provide information to the laser controller 105 that the number of pulses 200 along the path should remain constant during any phase of acceleration and deceleration of the axis system. However, the movement controller 105 may also inform or instruct the laser controller 105 to adapt the number of pulses 200 depending on the speed, for example, to perform more pulses 200 when performing a rotational movement with a radius of, for example, less than 1 mm. . In addition, the circuit in Fig. 3 is not only applicable to laser frequency (pulse frequency), but also to other laser energy adaptation parameters shown in FIG. 2.

Устройство 100 также может быть выполнено со скоростным переключателем лазера так, чтобы система осей определяла поверхность сканирования заготовки 101 - как показано и объяснено ниже со ссылкой на фиг. 7 - а лазерный луч 102 для удаления активировали только в некоторых областях поверхности сканирования в зависимости от фактического положения заготовки 101 относительно блока 103 механической обработки во время непрерывного перемещения. Это возможно благодаря быстрому выводу x-y-z-положения контроллером 105 перемещения. Вышеописанным способом устройству 100 не нужно компенсировать частоту лазера, и преимущество заключается в удалении материала с постоянной скоростью (что означает постоянную глубину) и в более быстром процессе.The apparatus 100 may also be configured with a laser speed switch such that the axis system defines the scanning surface of the workpiece 101 - as shown and explained below with reference to FIG. 7, and the removal laser 102 was activated only in some areas of the scanning surface depending on the actual position of the workpiece 101 relative to the machining unit 103 during the continuous movement. This is possible due to the fast output of the x-y-z position by the motion controller 105 . In the manner described above, the device 100 does not need to compensate for the frequency of the laser, and the advantage is that material is removed at a constant rate (which means a constant depth) and in a faster process.

На фиг. 4 показано устройство 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения, которое основано на устройстве 100, показанном на фиг. 1. Некоторые компоненты на фиг. 1 и фиг. 4 имеют одинаковые ссылочные позиции и функционируют одинаково. Устройство 100 на фиг. 4 также имеет блок 103 механической обработки и лазерный источник 110, который подает лазерный луч 102 на блок 103 механической обработки. Таким образом, лазерный луч 102 может быть подан от лазерного источника 110 на блок 103 механической обработки посредством оптического волокна 401. В блоке 103 механической обработки лазерный луч 102 может быть введен в струю текучей среды 104 непосредственно или предпочтительно с помощью одного или нескольких оптических элементов 402. Этот оптический элемент 402 может представлять собой линзу или объектив в сборе или любой другой подходящий элемент, чтобы сфокусировать лазерный луч в струю текучей среды. Блок 103 механической обработки также может содержать другие оптические элементы, например, светоделитель, зеркало, дифракционную решётку, фильтр и т.п., чтобы направлять лазерный луч 102 от края блока 103 механической обработки по меньшей мере на один оптический элемент 402. Блок 103 механической обработки также может включать в себя оптически прозрачное проекционное окно (не показано), чтобы отделять оптическую сборку (в данном случае оптический элемент 402) от жидкостного контура и области блока 103 механической обработки, в которой получают струю 104 текучей среды. Обычно струю 104 текучей среды получают с помощью форсунки, создающей струю текучей среды, в которой имеется отверстие форсунки, и полученную струю 104 текучей среды выпускают из блока 103 механической обработки через форсунку.In FIG. 4 shows a device 100 in accordance with an embodiment of the invention, which is based on the device 100 shown in FIG. 1. Some components in FIG. 1 and FIG. 4 have the same reference positions and function the same. Device 100 in FIG. 4 also has a machining unit 103 and a laser source 110 which supplies a laser beam 102 to the machining unit 103. Thus, laser beam 102 may be applied from laser source 110 to machining unit 103 via optical fiber 401. In machining unit 103, laser beam 102 may be introduced into fluid stream 104 directly or preferably via one or more optical elements 402 This optical element 402 may be a lens or lens assembly, or any other suitable element, to focus the laser beam into the fluid jet. The machining unit 103 may also include other optical elements, such as a beam splitter, a mirror, a diffraction grating, a filter, and the like, to direct the laser beam 102 from the edge of the machining unit 103 onto at least one optical element 402. The machining unit 103 processing may also include an optically transparent projection window (not shown) to separate the optical assembly (in this case, the optical element 402) from the fluid circuit and the area of block 103 machining, which receive the jet 104 of the fluid. Typically, a fluid jet 104 is produced by a fluid jet nozzle having a nozzle opening, and the resulting fluid jet 104 is discharged from the machining unit 103 through the nozzle.

Лазерный источник 110 включает в себя контроллер 106 лазера и лазерный резонатор 403. Если лазерный луч 102 представляет собой импульсный лазерный луч, то лазерный источник 110 может включать в себя переключатель 400 для модуляции лазерных импульсов 200. В предпочтительном варианте осуществления этот переключатель 400 представляет собой лазерный затвор для обеспечения возможности очень быстрой модуляции 0-100%. Переключателем 400 управляет контроллер 106 лазера.The laser source 110 includes a laser controller 106 and a laser cavity 403. If the laser beam 102 is a pulsed laser beam, then the laser source 110 may include a switch 400 for modulating the laser pulses 200. In the preferred embodiment, this switch 400 is a laser shutter to enable very fast 0-100% modulation. The switch 400 is controlled by the laser controller 106.

На фиг. 5(а) показано устройство 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения, которое основано на устройстве 100, показанном на фиг. 1. Некоторые компоненты на фиг. 1 и фиг. 5(а) имеют одинаковые ссылочные позиции и функционируют одинаково. В частности, на фиг. 5(а) показан блок 103 механической обработки устройства 100 и струя 104 текучей среды, которая направляет лазерный луч 102 на заготовку 101. Устройство 100 на фиг. 5(а) имеет измерительный блок 107, преимущественно интегрированный в блок 103 механической обработки. Таким образом, измерительный блок 107 может быть выполнен с возможностью измерять z-положение точки 108 падения струи 104 текучей среды на заготовку 101 через струю 104 текучей среды. Это допускает компактное устройство 100 и в то же время точное и быстрое измерение z-положения в конкретном x-y-положении заготовки 101. На фиг. 5(а) показано, что z-положение, измеренное в данный момент, представляет собой углубление 111 в поверхности 109 заготовки, т.е. ниже поверхности 109 заготовки в направлении z. Тем не менее, измерительный блок 107 также может измерять z-положение точки 108 падения струи 104 текучей среды на поверхность 109 заготовки.In FIG. 5(a) shows a device 100 according to an embodiment of the invention, which is based on the device 100 shown in FIG. 1. Some components in FIG. 1 and FIG. 5(a) have the same reference numbers and function the same. In particular, in FIG. 5(a) shows the machining unit 103 of the apparatus 100 and the fluid jet 104 which directs the laser beam 102 onto the workpiece 101. The apparatus 100 of FIG. 5(a) has a measurement unit 107 preferably integrated into the machining unit 103. Thus, the measurement unit 107 may be configured to measure the z-position of the point 108 of incidence of the fluid jet 104 on the workpiece 101 through the fluid jet 104. This allows a compact device 100 and at the same time an accurate and fast measurement of the z-position at a particular x-y-position of the workpiece 101. In FIG. 5(a) shows that the z-position currently measured is the depression 111 in the surface 109 of the workpiece, i. e. below the workpiece surface 109 in the z direction. However, the measuring unit 107 can also measure the z-position of the point 108 of incidence of the fluid jet 104 on the surface 109 of the workpiece.

Измерительный блок 107 может быть выполнен с возможностью измерять z-положение с использованием электромагнитного излучения или акустических волн. Измерительный блок 107 может излучать электромагнитное излучение или акустические волны таким образом, чтобы это излучение благодаря полному отражению в струе 104 текучей среды направлялось на заготовку 101. Аналогично, измерительный блок 107 может принимать отражение этого электромагнитного излучения или акустических волн соответственно. Эти отраженные сигналы также могут переноситься в струе 104 текучей среды к измерительному блоку 107. Оценивая, например, временной интервал между отправлением и приемом соответствующих сигналов, измерительный блок 107 может вычислить z-положение точки 108 падения. Измерительный блок 107 из z-положения также может вывести длину струи 104 текучей среды, например, всю длину l между блоком 103 механической обработки и поверхностью 109 заготовки или углублением 111 в поверхности 109 заготовки, как показано на фигуре.The measurement unit 107 may be configured to measure z-position using electromagnetic radiation or acoustic waves. The measuring unit 107 can emit electromagnetic radiation or acoustic waves in such a way that this radiation is directed to the workpiece 101 due to total reflection in the jet 104 of the fluid. Similarly, the measuring unit 107 can receive the reflection of this electromagnetic radiation or acoustic waves, respectively. These reflected signals can also be carried in the fluid jet 104 to the measuring unit 107. By evaluating, for example, the time interval between the sending and receiving of the respective signals, the measuring unit 107 can calculate the z-position of the point 108 of the fall. The measuring unit 107 from the z-position can also output the length of the fluid jet 104, for example, the entire length l between the machining unit 103 and the surface 109 of the workpiece or the recess 111 in the surface 109 of the workpiece, as shown in the figure.

На фиг. 5(b) показано, в какой момент времени предпочтительно измерительный блок 107 настроен для измерения z-положения точки 108 падения струи 104 текучей среды на заготовку 101, а именно, в течение периода времени между двумя последовательными лазерными импульсами 200 (см. пунктирные линии). Другими словами, измерительный блок 107 может измерять z-положение после и до каждого лазерного импульса 200 соответственно. Во время подачи лазерного импульса 200, предпочтительно, никакие измерения не выполняются. Поэтому измерения, выполненные измерительным блоком 107, не мешают удалению материала, вызванному лазерными импульсами 200.In FIG. 5(b) shows at what time the measuring unit 107 is preferably set to measure the z-position of the point 108 of the point 108 of incidence of the fluid jet 104 on the workpiece 101, namely, during the time period between two successive laser pulses 200 (see dotted lines) . In other words, the measuring unit 107 can measure the z-position after and before each laser pulse 200, respectively. During the application of the laser pulse 200, preferably, no measurements are made. Therefore, the measurements made by the measurement unit 107 do not interfere with the removal of material caused by the laser pulses 200.

В частности, также возможно, что измерительный блок 107 сканирует и измеряет всю поверхность 109 заготовки до того, как устройство начинает подавать лазерный луч 102 или лазерные импульсы 200 на заготовку для удаления материала. Например, устройство 100 может быть выполнено с возможностью формировать заготовку 101 посредством послойного снятия нескольких слоев материала заготовки с помощью лазерного луча 102. В этом случае измерительный блок 107 может быть выполнен с возможностью сканировать поверхность 109 заготовки с помощью электромагнитного излучения или акустических волн перед каждым слоем и, тем самым, определять профиль поверхности. Исходя из полученного профиля поверхности, контроллер 106 лазера может затем регулировать энергию лазерного луча 102 или отдельных лазерных импульсов 200 соответственно для управляемого удаления следующего слоя.In particular, it is also possible that the measuring unit 107 scans and measures the entire surface 109 of the workpiece before the device starts to apply the laser beam 102 or laser pulses 200 to the workpiece to remove material. For example, the device 100 may be configured to form the workpiece 101 by layer-by-layer removal of several layers of workpiece material using a laser beam 102. In this case, the measuring unit 107 may be configured to scan the surface 109 of the workpiece using electromagnetic radiation or acoustic waves before each layer and thus define the surface profile. Based on the obtained surface profile, the laser controller 106 can then adjust the energy of the laser beam 102 or individual laser pulses 200, respectively, to control the removal of the next layer.

На фиг. 6 показан еще один предпочтительный блок, который может быть включен в состав устройства 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения, как показано на фиг. 1, 4 или 5(а). В частности, устройство 100 может также содержать процессор 600, выполненный с возможностью рассчитывать послойное представление 601 объема заготовки 101, который необходимо удалить, т.е. объема материала, представленного множеством слоев, который необходимо удалить с начальной заготовки 101 для достижения формы готовой детали. Тогда, устройство 100 может быть в целом выполнено с возможностью формировать заготовку 101, исходя из рассчитанного послойного представления 601. Для создания послойного представления 601 может быть применен подход с использованием системы компьютерного проектирования (CAD). Послойное представление 601 включает в себя множество слоев и заданную толщину слоя, при этом сумма этих слоев дает объем, который необходимо удалить с заготовки 101. Слои могут указывать количество материала, который надо удалить при каждом полном сканировании поверхности заготовки 101. Послойное представление 601 может быть передано процессором 600 на контроллер 106 лазера, а контроллер 106 лазера тогда может быть выполнен с возможностью управлять энергией лазерного луча 102 или каждого отдельного лазерного импульса 200 соответственно, исходя из послойного представления 601, чтобы достичь заданной толщины каждого слоя.In FIG. 6 shows yet another preferred unit that may be included in an apparatus 100 according to an embodiment of the invention, as shown in FIG. 1, 4 or 5(a). In particular, apparatus 100 may also include a processor 600 configured to calculate a layered representation 601 of the volume of workpiece 101 to be removed, i. the volume of material, represented by multiple layers, that must be removed from the initial workpiece 101 to achieve the shape of the finished part. Then, the apparatus 100 may be generally configured to form the workpiece 101 from the computed layered representation 601. A computer-aided design (CAD) approach may be applied to generate the layered representation 601. The layered representation 601 includes a plurality of layers and a predetermined layer thickness, with the sum of these layers giving the volume to be removed from the workpiece 101. The layers may indicate the amount of material to be removed in each full scan of the surface of the workpiece 101. The layered representation 601 may be transmitted by the processor 600 to the laser controller 106, and the laser controller 106 can then be configured to control the energy of the laser beam 102 or each individual laser pulse 200, respectively, based on the layer representation 601 to achieve a given thickness of each layer.

На фиг. 7 показано, как устройство 100 реализует сканирование поверхности заготовки 101 струей 104 текучей среды, направляющей лазерный луч 102 (или без него, если поверхность 109 необходимо измерить, не удаляя материал). Для этого контроллер 105 перемещения может быть выполнен с возможностью изменять x-y-положение заготовки 101 так, чтобы струя 104 текучей среды и/или лазерный луч 102 сканировал поверхность 109 заготовки в плоскости x-y, которая может представлять собой горизонтальную плоскость. Сканирование поверхности может быть выполнено построчно, по столбцам или любым другим подходящим способом. В частности, контроллер 105 перемещения может быть выполнен с возможностью изменять положение заготовки 101 после каждого лазерного импульса 200 (в случае, если лазерный луч 102 является импульсным). При каждом сканировании поверхности материал с заготовки 101 может быть удален, если энергия лазерного луча установлена корректно. Например, лазерный луч 102 или каждый лазерный импульс 200 может иметь такую энергию, чтобы удалить в z-направлении в заданном x-y-z-положении заготовки 101 материал на глубину от 1 до 1000 мкм. Таким образом, каждое полное сканирование поверхности 109 заготовки может удалить слой толщиной от 1 до 1000 мкм. Удаленный слой может быть равномерным или неравномерным по толщине вдоль направления z. Сканирование поверхности также может быть выполнено без удаления материала, если энергия лазерного луча задана достаточно низкой, или если лазерный луч 102 отключен. При таком сканировании измерительный блок 107 может измерять профиль поверхности 109 заготовки.In FIG. 7 shows how the device 100 implements scanning of the surface of the workpiece 101 with a fluid jet 104 directing the laser beam 102 (or without it if the surface 109 is to be measured without removing material). To do this, the motion controller 105 may be configured to change the x-y position of the workpiece 101 so that the fluid jet 104 and/or laser beam 102 scans the surface 109 of the workpiece in the x-y plane, which may be a horizontal plane. Surface scanning may be done line by line, by column, or in any other suitable manner. In particular, the movement controller 105 may be configured to change the position of the workpiece 101 after each laser pulse 200 (in case the laser beam 102 is pulsed). With each surface scan, material can be removed from workpiece 101 if the laser beam energy is set correctly. For example, laser beam 102 or each laser pulse 200 may be energized to remove material in the z-direction at a predetermined x-y-z position of workpiece 101 to a depth of 1 to 1000 microns. Thus, each complete scan of the surface 109 of the workpiece can remove a layer with a thickness of 1 to 1000 microns. The removed layer may be uniform or non-uniform in thickness along the z-direction. Surface scanning can also be performed without material removal if the laser beam energy is set low enough, or if the laser beam 102 is turned off. With such a scan, the measuring unit 107 can measure the surface profile 109 of the workpiece.

На фиг. 8 показано, как настроено устройство 100, чтобы формировать заготовку 101 посредством удаления множества слоев 800 материала заготовки, в частности послойно. Множество слоев 800 могут быть идентичными рассчитанному послойному представлению 601, показанному на фиг. 6. Каждый из множества слоев 800 может иметь предварительно заданную площадь в плоскости x-y, которая зависит от x-y-положений, которые задает контроллер 105 перемещения. Предпочтительно, контроллер 105 перемещения задает x-y-z-положение заготовки на основе послойного представления 601. Каждый слой 800 может иметь индивидуальную равномерную или неравномерную толщину вдоль направления z, причем толщина зависит от энергии лазера, которую устанавливает контроллер 106 лазера для каждого x-y-z-положения заготовки 101 относительно блока 103 механической обработки. Для каждого x-y-z-положения заготовки 101 устройство 100 настраивается для определения z-положения точки 108 падения струи 104 текучей среды на заготовку 101 и для соответствующего регулирования мощности лазера, так чтобы в каждом положении заготовки в направлении z удалялся материал заготовки на определенную глубину.In FIG. 8 shows how the apparatus 100 is configured to form a blank 101 by removing a plurality of layers 800 of blank material, in particular layer by layer. The plurality of layers 800 may be identical to the computed layered representation 601 shown in FIG. 6. Each of the plurality of layers 800 may have a predetermined area in the x-y plane, which depends on the x-y positions that the motion controller 105 defines. Preferably, the motion controller 105 sets the x-y-z position of the workpiece based on the layered representation 601. Each layer 800 may have an individual uniform or non-uniform thickness along the z-direction, the thickness depending on the laser energy that the laser controller 106 sets for each x-y-z position of the workpiece 101 relative to block 103 machining. For each x-y-z position of the workpiece 101, the device 100 is adjusted to determine the z-position of the point 108 of the point 108 of impingement of the fluid jet 104 on the workpiece 101 and to adjust the laser power accordingly, so that at each position of the workpiece in the z direction, material of the workpiece is removed to a certain depth.

На фиг. 9 показано, что устройство 100 в соответствии с вариантом осуществления изобретения, как показано на фиг. 1, 4 или 5(а), также может корректировать уклоны и/или неровности, которые случайно возникают во время удаления материала заготовки. Если такой уклон и/или неровность не исправить вовремя, то ошибка может добавляться с каждым слоем 800 и может привести к неточной трехмерной форме готовой детали. В частности, измерительный блок 107 выполнен с возможностью определять уклон и/или неровность 901 последнего удаленного слоя 900 материала заготовки. Это может быть выполнено, например, путем измерения глубины после каждого лазерного импульса или путем сканирования поверхности 109 заготовки в плоскости x-y (напр., без удаления материала) и, таким образом, путем определения z-положений множества точек 108 падения струи 104 текучей среды на заготовку 101. Таким образом, можно определить уклон и/или неровность 902 поверхности на поверхности 109 заготовки 101, из которого можно вычислить уклон/неровность 901. Это показано на фиг. 9(а).In FIG. 9 shows that an apparatus 100 according to an embodiment of the invention as shown in FIG. 1, 4 or 5(a) can also correct slopes and/or irregularities that occur accidentally during the removal of workpiece material. If such slope and/or unevenness is not corrected in time, then the error may be added with each layer 800 and may result in an inaccurate three-dimensional shape of the finished part. In particular, the measurement unit 107 is configured to determine the slope and/or unevenness 901 of the last removed layer 900 of the workpiece material. This can be done, for example, by measuring the depth after each laser pulse, or by scanning the surface 109 of the workpiece in the x-y plane (e.g., without removing material) and thus determining the z-positions of the set of points 108 of incidence of the fluid jet 104 on workpiece 101. Thus, the slope and/or roughness 902 of the surface on the surface 109 of the workpiece 101 can be determined, from which the slope/roughness 901 can be calculated. This is shown in FIG. 9(a).

Тогда, устройство 100 может быть выполнено с возможностью удалять по меньшей мере следующий слой 800, исходя из определенного уклона и/или неровности 901 последнего удаленного слоя 900. Соответственно, неровность и/или уклон поверхности 902 могут быть устранены вместе с удалением по меньшей мере следующего слоя 800. Для этого устройство 100 выполнено с возможностью приспосабливать энергию лазера или траекторию перемещения заготовки 101, при этом перемещение заготовки 101 выполняют многократно, изменяя x-y-z-положение, заданное контроллером 105 перемещения. Это также приводит к приспосабливанию траектории, вдоль которой по заготовке 101 перемещается струя 104 текучей среды, для удаления по меньшей мере следующего слоя 800. Другими словами, контроллер 106 лазера может быть выполнен с возможностью адаптировать энергию лазерного луча 102 для различных x-y-положений или индивидуально адаптировать энергию каждого лазерного импульса 200. Дополнительно (или как вариант) контроллер 105 перемещения также может адаптировать траекторию струи 104 текучей среды под давлением, чтобы удалять материал только или преимущественно в определенных местах на поверхности 109 заготовки, например, где имеется неровность 902 поверхности. Адаптацию значений энергии лазера и/или траектории перемещения заготовки 101 и/или угла падения струи 102 текучей среды на заготовку 101 предпочтительно выполняют на основе определенного уклона и/или неровности 901 (или на основе уклона и/или неровности 902 поверхности на поверхности 109 заготовки). Таким образом, устройство 100 может устранять уклон и/или неровность 902, начиная со следующего удаляемого слоя 800. Устранение неровности и/или уклона может занять несколько слоев 800. После успешного устранения можно продолжать обычную послойную абляцию.Then, the device 100 may be configured to remove at least the next layer 800 based on the determined slope and/or roughness 901 of the last layer 900 removed. layer 800. To do this, the device 100 is configured to adapt the laser energy or the movement path of the workpiece 101, while the movement of the workpiece 101 is repeatedly performed by changing the x-y-z position set by the movement controller 105. This also results in tailoring the path along which the workpiece 101 moves the fluid jet 104 to remove at least the next layer 800. In other words, the laser controller 106 can be configured to adapt the energy of the laser beam 102 to different x-y positions or individually adapt the energy of each laser pulse 200. Additionally (or alternatively), the movement controller 105 can also adapt the trajectory of the pressurized fluid jet 104 to remove material only or preferentially at certain locations on the workpiece surface 109, for example, where there is a surface irregularity 902. The adaptation of the laser energy and/or the trajectory of the workpiece 101 and/or the angle of incidence of the fluid jet 102 onto the workpiece 101 is preferably performed based on a certain slope and/or roughness 901 (or based on the slope and/or roughness 902 of the surface on the surface 109 of the workpiece) . Thus, the device 100 can eliminate the slope and/or unevenness 902 starting with the next layer 800 to be removed. The elimination of the unevenness and/or slope may take several layers 800. After successful elimination, conventional layer-by-layer ablation can continue.

На фиг. 10 показан способ 1000 трехмерного формирования заготовки 101 посредством удаления материала с помощью лазерного луча 102. Способ 1000 содержит первый этап 1001, на котором подают струю 104 текучей среды под давлением на заготовку 101 и вводят лазерный луч 102 в струю 104 текучей среды по направлению к заготовке 101. Кроме того, способ 1000 включает в себя второй этап 1002, на котором задают x-y-z-положение заготовки 101 относительно струи 104 текучей среды. Наконец, способ 1000 по меньшей мере включает в себя третий этап 1003, на котором измеряют z-положение точки 108 падения струи 104 текучей среды под давлением на заготовку 101.In FIG. 10 shows a method 1000 for three-dimensionally forming a workpiece 101 by removing material with a laser beam 102. The method 1000 comprises a first step 1001 in which a pressurized fluid jet 104 is applied to the workpiece 101 and a laser beam 102 is injected into the fluid jet 104 towards the workpiece. 101. In addition, the method 1000 includes a second step 1002, which sets the x-y-z position of the workpiece 101 relative to the jet 104 of the fluid. Finally, the method 1000 at least includes a third step 1003 in which the z-position of the point 108 of impingement of the pressurized fluid jet 104 on the work piece 101 is measured.

Способ 1000 может включать в себя дополнительные этапы в соответствии с вышеописанными функциями устройства 100. В частности, способ 1000 может быть выполнен посредством устройства 100. Предпочтительно, способ 1000 включает в себя следующее: подают лазерный луч 102 и отдельно регулируют энергию каждого лазерного импульса 200 на основе x-y-z-положения, заданного для упомянутого лазерного импульса 200, а также на основе z-положения точки 108 падения струи 104 текучей среды под давлением на заготовку 101, измеренного перед упомянутым лазерным импульсом 200.Method 1000 may include additional steps in accordance with the functions of device 100 described above. In particular, method 1000 may be performed by device 100. Preferably, method 1000 includes: delivering laser beam 102 and separately adjusting the energy of each laser pulse 200 to based on the x-y-z-position given for said laser pulse 200, and also on the basis of the z-position of the point 108 of the point 108 of incidence of the pressurized fluid jet 104 on the workpiece 101, measured before said laser pulse 200.

Настоящее изобретение было описано в сочетании с различными вариантами осуществления, приведенными в качестве примеров, а также форм реализации. Однако специалистам в этой области техники, реализующим заявленное изобретение, могут быть понятны другие варианты из идей, приведенных на чертежах, в описании и в прилагаемой формуле изобретения. В формуле изобретения, а также в описании, слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артиклю единственного числа не исключает множественное число. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких объектов или элементов, приведенных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формул изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть использовано в предпочтительной реализации.The present invention has been described in conjunction with various exemplary embodiments as well as forms of implementation. However, those skilled in the art implementing the claimed invention may recognize other variations from the ideas set forth in the drawings, in the description and in the appended claims. In the claims, as well as in the description, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the singular indefinite article does not exclude the plural. One element or other block can perform the functions of several objects or elements listed in the claims. The fact that some measures are set forth in mutually distinct dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used in the preferred implementation.

Claims

1. Device (100) for three-dimensional formation of the workpiece (101) by removing material using a laser beam (102), containing

a machining unit (103) configured to supply a pressurized fluid jet (104) to the workpiece (101) and to introduce a laser beam (102) into the fluid jet (104) towards the workpiece (101),

a movement controller (105) configured to set the x-y-z position of the workpiece (101) relative to the machining unit (103),

a measuring unit (107) configured to measure the z-position of the point (108) of the falling point (104) of the pressure fluid jet (104) on the workpiece (101) in the z direction, and

laser controller (106),

at the same time, the movement controller (105) is configured to repeatedly change the x-y-z position of the workpiece (101) so that the laser beam (102) scans the surface (109) of the workpiece in the x-y plane,

the measuring unit (107) is configured to determine the surface profile (109) by measuring the z-position of a plurality of points (108) of the fall of the fluid jet (104) onto the workpiece (101), and

the laser controller (106) is configured to adjust the energy of the laser beam (102) for different x-y positions based on a certain surface profile (109) and/or the movement controller (105) is configured to change the trajectory along which the fluid jet (104) moves over the workpiece (101) based on the defined surface profile (109).

2. Apparatus (100) according to claim 1, wherein the laser controller (106) is configured to adjust the energy of the laser beam (102) based on the x-y-z position given by the movement controller (105) and the z-position of the point (108) the fall of a jet (104) of fluid under pressure on the workpiece (101), measured by the measuring unit (107).

3. Device (100) according to claim 1 or 2, in which the laser beam (102) is pulsed, and the laser controller (106) is configured to separately adjust the energy of each laser pulse (200) based on the x-y-z-position given by the controller ( 105) movement for said laser pulse (200) and also based on the z-position of the point (108) of the pressure fluid jet (104) falling on the workpiece (101) measured by the measuring unit (107) before said laser pulse (200) .

4. The device (100) according to claim 3, in which the measuring unit (107) is configured to determine the result of the removal of material from each laser pulse (200) by the z-position of the point (108) of the falling jet (104) of the fluid under pressure on the workpiece (101) measured by the measuring unit (107) after the specified laser pulse (200), and the laser controller (106) is configured to adjust the energy of the next laser pulse (200) based on the specified determined material removal result.

5. The device (100) according to claim 3 or 4, in which the controller (106) of the laser is configured to control the energy of each laser pulse (200) by setting its width and/or amplitude, and/or by setting the pulse frequency (200) and, consequently, the time delay between successive pulses (200), and/or by issuing a burst (201) of pulses.

6. Apparatus (100) according to claim 5, wherein the laser controller (106) is configured to control the energy of each laser pulse (200) so that it removes workpiece material to a depth of 1 to 1000 µm in the z-direction in x-y-z- position of the workpiece (101), given by the controller (105) movement for the specified laser pulse (200).

7. The device (100) according to any one of paragraphs. 3-6 further comprising a laser source (110) for generating a laser beam (102), wherein the laser source (110) includes a laser controller (106) and a speed switch, preferably a laser shutter (400), for modulating laser pulses (200 ).

8. The device (100) according to any one of paragraphs. 3-7, in which the measuring unit (107) is configured to measure the z-position of the point (108) of the point (108) of the incidence of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101) during the time period between two successive laser pulses (200).

9. The device (100) according to any one of paragraphs. 3-8, wherein the motion controller (105) is configured to incrementally or continuously change the x-y-z position of the workpiece (101) relative to the machining unit (103) after each laser pulse (200).

10. Device (100) according to claim 9, wherein

the movement controller (105) is configured to speed up or slow down the change in the x-y-z-position of the workpiece (101) when the workpiece (101) is moved along the path, and

the laser controller (106) is configured to increase or decrease the frequency of the laser pulses so that the number of laser pulses (200) per unit distance is kept constant along the indicated trajectory.

11. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-10, configured to selectively turn on or turn off the laser beam (102) during scanning of the surface (109) of the workpiece, depending on the x-y-z position specified by the movement controller (105).

12. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-11 configured to form a workpiece (101) by removing workpiece material with a laser beam (102) in layers, layer by layer, as a plurality of layers (800).

13. The apparatus (100) of claim 12, wherein each of said plurality of layers (800) occupies an individually defined area in the x-y plane and has an individually defined uniform or unequal thickness along the z direction.

14. Device (100) according to claim 12 or 13, further comprising

a processor (600) configured to calculate a layered representation (601) of the removed volume of the workpiece (101), wherein

the device (100) is configured to form the workpiece (101) by removing said plurality of layers (800) of the workpiece material based on the calculated layer-by-layer representation (601).

15. The apparatus (100) of claim 14, wherein the laser controller (106) is configured to control the power or energy of the laser beam (102) based also on the layered representation (601) received from the processor (600).

16. The device (100) according to claim 14 or 15, in which

the measuring unit (107) is configured to send to the processor (600) as a feedback the measured z-position of the point (108) of the incidence of the fluid jet (104) on the workpiece (101), and

the processor (600) is configured to recalculate the layered representation (601), in particular the number of layers of the layered representation (601) based on feedback from the measurement unit (107).

17. The device (100) according to one of paragraphs. 14-16, wherein the processor (600) is configured to recalculate the layered representation (601) after each layer (800) of the workpiece material is removed from the workpiece (101).

18. The device (100) according to any one of paragraphs. 12-17, in which

the measuring unit (107) is also configured to determine the first slope and/or roughness (901) of the surface of the last removed layer (900) of the workpiece material by scanning the surface (109) of the workpiece in the x-y plane and thus measuring the z-position of a plurality of points ( 108) the fall of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101), as well as the second slope and/or unevenness (902) of the surface on the surface (109) of the workpiece (101), and

the device (100) is configured to remove at least the next layer (800) based on the first slope and/or unevenness (901) of the surface determined by the measuring unit (107).

19. The device according to claim 18, in which the laser controller (106) is configured to individually adapt, at least for the next layer (800), the energy of each laser pulse (200) and / or the trajectory of the workpiece (101) by changing x-y-z - positions after each laser pulse (200) based on the first slope and/or unevenness (901) of the surface determined by the measuring unit (107).

20. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-19, in which the measuring unit (107) is configured to measure the z-position of the point (108) of the point (108) of the incidence of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101) using electromagnetic radiation or acoustic waves.

21. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-20, in which the measuring unit (107) is configured to measure the z-position of the point (108) of the incidence of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101) by measuring the length of the jet (104) of the fluid that determines the linear size.

22. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-21, in which the measuring unit (107) is configured to measure the z-position of the point (108) of the incidence of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101) through the jet (104) of the fluid.

23. The device (100) according to any one of paragraphs. 1-22, in which the measuring unit (107) is integrated into the machining unit (103).

24. A method (1000) for forming a workpiece (101) three-dimensionally by removing material with a laser beam (102), characterized in that

supplying (1001) a jet (104) of fluid under pressure to the workpiece (101) and introducing a laser beam (102) into the jet (104) of the fluid towards the workpiece (101),

set (1002) x-y-z-position of the workpiece (101) relative to the jet (104) of the fluid,

measure (1003) the z-position of the point (108) of the fall of the jet (104) of fluid under pressure on the workpiece (101),

scanning the surface (109) of the workpiece in the x-y-plane,

determine the profile of the surface (109) by measuring the z-positions of the set of points (108) of the incidence of the jet (104) of the fluid on the workpiece (101) and

adjusting the energy of the laser beam (102) for different x-y positions based on the determined surface profile (109) and/or changing the trajectory along which the fluid jet (104) moves over the workpiece (101) based on the determined surface profile (109).

25. The method (1000) of claim 24, wherein

a pulsed laser beam (102) is injected (1001) into the jet (104) of the fluid,

x-y-z-position of the workpiece is set (1002) for each laser pulse (200),

measuring (1003) the z-position of the drop point (108) of the fluid jet (104) before each laser pulse (200), and

separately adjust the energy of each laser pulse (200) based on the x-y-z-position specified for the specified laser pulse (200), as well as on the basis of the z-position of the point (108) of the point (108) of the falling jet (104) of the fluid under pressure on the workpiece (101), measured before the specified laser pulse (200).

26. The method (1000) of claim 25, wherein

separately specifying the energy of each laser pulse (200) of the laser beam (102) and/or the trajectory of the jet (104) of the fluid medium by changing the x-y-z-position of the workpiece (101) after each laser pulse (200) of the laser beam (102) based on the specified defined profile surfaces (109).