TW202317306A - 材料複合加工方法與系統 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種材料複合加工方法，其包含：使用雷射對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質；應用光學影像定位輔助設備對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位，以將刀具對準該已改質區域；以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工作業。

Description

材料複合加工方法與系統

本發明係有關於一種材料複合加工方法與系統，尤其是一種結合非接觸式雷射與機械加工的複合加工方法與系統。

在習用技術中，對於硬脆材料執行加工，大致有以下幾種加工技術可供選用，如電化學加工(electro chemical machining,ECM)技術，其作法大致包含：將工件浸入電解液並作為陽極(anode)，在陽極與陰極間施加電位差後，利用電解作用引發的電化學溶蝕效應而移除材料，以對工件進行加工。ECM通常應用於加工超硬材料，但若要應用於為由硬脆材料組成之工件進行鑽孔加工時，由於ECM技術係經由調整電位而調整陽極表面電子能量，使得電活性物質與陽極之間發生電子轉移，故其問題在於加工時間較長、錐孔角不易控制、較適用於導體材料、且不易用於高絕緣硬脆材料之加工等。

放電加工(electrical discharge machining,EDM)技術則是藉由放電產生火花，使工件形成預定形狀的一種非接觸式材料加工技術，工件電極與工具電極之間由介電物質分隔，並在工件電極與工具電極間，施加週期性快速變化的電流而在電極上產生火花，但若要應用EDM技術為工件進行鑽孔，由於EDM技術是藉由放電產生火花進行加工，因此僅適用於 導體材料，不易用於加工高絕緣硬脆材料。

而雷射鑽孔(laser drilling)技術，則是通過光學透鏡系統引導並聚焦雷射光束指向加工部位，以熔化或氣化加工部位的材料，尤其可供應用執行微小孔徑之鑽孔，但若要應用雷射鑽孔技術為工件進行鑽孔，由於利用雷射光束投射到材料表面產生的瞬間熱效應，使工件透過吸收雷射後溫度迅速升高而熔化或汽化，容易產生殘渣以及錐孔角不易控制等問題。

雷射成絲加工技術(laser filament machining)，在透明材料加工方面，也可使用超快雷射產生之非線性吸收現象，在工件內部形成絲狀改質區，對入射的雷射光產生自聚焦與離焦(self-focusing and defocusing)現象，沿著成絲區進行快速的雷射加工，雖具有快速與可進行高深寬比(high aspect ratio)的優勢，但成絲之加工參數控制不易。

機械加工(mechanical machining)技術是一種使用工具機，在常溫下對工件進行切削(cutting)或雕銑(engraving and milling)等處理，經由移除材料而改變工件之外形、尺寸或性能的接觸式加工技術，但若要應用機械加工技術為硬脆工件進行微小孔徑鑽孔，加工過程產生的大量應力，易造成工件破損、殘渣不易排除、及刀具易磨損等問題。

因此，習用各類單項加工技術，若用於透明、硬脆材料鑽孔，則無法達到高精度、高品質要求，有鑑於習用技術中存在的缺點，發明人經過悉心嘗試與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「材料複合加工方法與系統」，能夠克服上述缺點，以下為本發明之簡要說明。

本發明提出一種材料複合加工方法，其包含：使用雷射對工 件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質；應用光學影像定位輔助設備對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位，以將刀具對準該已改質區域；以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工作業。

本發明進一步提出一種材料複合加工系統，其包含：雷射，其經配置對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行材料改質；光學影像定位輔助設備，其經配置對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位；以及機械臂或加工機，其經配置以驅動該雷射及刀具對該工件之該欲改質區域及該已改質區域分別進行改質及加工作業。

上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使讀者對本揭示內容具備基本的理解，本發明之內容具體說明如下。

100:本發明材料複合加工系統

10:工件

11:欲改質區域

12:3D工件

13:3D不規則曲面

14:3D欲改質區域

15:定位標記

16:已改質區域

17:3D已改質區域

20:雷射

21:雷射光

30:機械臂

31:3D工作路徑

40:加工機

41:機床

42:動柱式龍門

43:驅動器模組

44:控制器模組

50:光學影像定位輔助設備

51:低倍率攝像鏡頭

52:高倍率攝像鏡頭

60:加工刀具

70:探針卡

71:陶瓷導板

72:探針孔

73:探針

74:晶粒

75:焊墊

80:輸送帶

200:本發明材料複合加工方法

201-204:實施步驟

X:橫軸

Y:縱軸

Z:垂直軸

第1圖係揭示本發明所包含之雷射改質之實施示意圖；

第2圖係揭示本發明運用機械臂對3D不規則曲面執行改質之示意圖；

第3圖係揭示本發明經由使用五軸加工機對工件上已改質區域執行加工之示意圖；

第4圖係揭示本發明材料複合加工系統之系統架構示意圖；

第5圖係揭示本發明材料複合加工方法與系統使用機械臂整合實施之系統架構示意圖；

第6圖係揭示本發明材料複合加工方法與系統使用加工機整合實施之 系統架構示意圖；

第7圖係揭示本發明應用在為探針卡裝置陶瓷導板組件鑽孔作業之示意圖；

第8圖係展示經實施本發明材料複合加工方法對欲改質區域進行雷射改質後改質部位之實際影像；

第9圖係展示經實施本發明材料複合加工方法對已改質區域進行機械鑽孔後加工孔之實際影像；以及

第10圖係揭示本發明材料複合加工方法之一實施例其步驟流程圖。

本發明之實施將透過以下描述而得到充分瞭解，使得熟習本發明所屬技術領域者可以據以完成之，然本發明之實施並非僅限於以下描述；本發明之圖式不包含對大小、尺寸與比例尺的限定，本發明實際實施時其大小、尺寸與比例尺不受本發明圖式之限制。說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟，得以按任何順序執行，不受限於說明書或請求項中所描述或者記載的順序。本發明的範圍應僅由請求項及其均等方案確定，不應由說明書所描述之實施例而確定。

本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，本文中用語“例如”是非排他性的，應理解成“例如但不限於”，本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟之加入。

第1圖係揭示本發明所包含之雷射改質步驟之實施示意圖；在本實施例，首先使用雷射20瞄準工件10上需要實施欲改質區域11，向欲 改質區域11發射雷射光21，其中雷射20可為連續式雷射(CW Lasers)或脈衝式雷射(Pulsed Lasers)，脈衝期從奈秒雷射光束(ns-laser beam)、皮秒雷射光束(ps-laser beam)、或飛秒雷射光束(fs-laser beam)等，欲改質區域11亦稱目標區域或工作區域等。

雷射光21空間方面可由光學鏡組調整雷射光21之例如但不限於尺寸、光斑大小與光形等，其中該光形較佳可為例如但不限於貝索光束(Bessel beam)、高斯光束(Gaussian beam)或者平頂光束(Top flat beam)等，或其他適用於改質形狀之光形。在時間方面可調變頻率與輻射脈衝期。功率的大小係以該工件材料之材質而定，該功率的大小僅改變工件欲改質區材質的特性，而不影響工件10上欲改質區域11外的材料特性。

在不同光形、不同工作頻率與不同脈衝期的組合調變下，雷射光21可攜帶適當的雷射能量，當雷射光21抵達欲改質區域11，隨著能量的急劇上升，功率密度將足以以物理機理例如但不限於升溫、或化學機理例如但不限於鍵結改變，而改變欲改質區域11性質，包含物理性質與化學性質，但由於雷射與材料相互作用的時間極短，大部分能量將只侷限在欲改質區域11範圍內，不易向外環擴散，不致對欲改質區域11以外的周圍材料造成影響，或者改變其性質。

欲改質區域11經過雷射改質後，其局部微結構將進行重組，產生新的改質結構，欲改質區域11內的改質部位，相對於原本的脆硬結構較為軟化，有利後續加工作業之實施。針對由不同材料組成並具備不同物理與化學性質的不同種工件10，雷射20可為不同種類的雷射，或可選擇性地發射不同工作頻率、波長、脈衝期及功率之雷射光束，或調製不同光形 之光束，以改變欲改質區域11之物理或化學性質。

在雷射改質作業過程中，亦可選擇性地將工件10全程放置於包含工作流體的環境中，以利碎屑之清除、加強散熱效果、或協助加工速率，其中該工作流體可為氣體或溶液，氣體係選自例如但不限於中性氣體、惰性氣體、氮氣(nitrogen)、氬氣、酸性蒸氣、或者鹼性蒸氣等，溶液係選自例如但不限於酸性溶液、鹼性溶液、中性溶液、蝕刻液或其組合，蝕刻液係選自例如但不限於硫酸、磷酸、氫氧化鉀、硝酸、氫氟酸或其組合，鹼性溶液係選自例如但不限於氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，中性溶液係選自例如但不限於去離子水、純水或其組合，揮發性液體係選自例如但不限於異丙醇、乙醇或其組合，溶液亦可為油性液體。

第2圖係揭示本發明運用機械臂對3D不規則曲面執行改質之示意圖；在本實施例，雷射20將與機械臂30結合，在機械臂30輔助下，沿著預先設定之工作路徑包含3D工作路徑31，高效且快速的對分布在3D工件12上的多個3D欲改質區域14進行雷射局部改質，尤其適合對具有複雜表面結構、立體結構包含3D工件12之3D不規則曲面13上的多個3D欲改質區域14進行表面改質、局部改質或者內部改質，經過改質的3D欲改質區域14成為3D已改質區域17，改質後同時利用機械臂30上之刀具，對3D已改質區域17進行機械加工。

機械臂30較佳選用例如但不限於FANUC機械臂、KUKA機械臂、FESTO機械臂、ABB機械臂、Universal Robots協作型機器人、選擇順應性關節機械臂(SCARA)或多軸工業機械臂等。上述之雷射裝置於亦可裝置於加工機以同時進行雷射改質及機械加工之複合加工作業。

第3圖係揭示本發明經由使用五軸加工機對工件上已改質區域執行加工之示意圖；當雷射改質步驟完成後，應用例如但不限於機械臂30或其他轉移設備，例如但不限於輸送帶、滑軌等設備，將工件10轉移到加工機40上，對工件10進行複合加工。

加工機40可為多軸加工機、多軸雕銑機、車床工具機、搪床工具機、磨床工具機、研磨拋光機、銑床機或鑽削機，在本實施例，加工機40較佳為例如但不限於五軸工具機，加工機40的配置較佳包含機床41、動柱式龍門42、驅動器模組43、控制器模組44、光學影像定位輔助設備50、以及加工刀具60等，其中光學影像定位輔助設備50包含用於低倍率攝像鏡頭51、以及用於精密定位的高倍率攝像鏡頭52等。

由於工件10上需要處理的欲改質區域11其範圍可為極小孔洞或溝槽。以鑽孔加工作業為例，開設在欲改質區域11處的貫通孔，其孔徑較佳約小於20μm，需要藉由光學影像定位輔助設備50之輔助，以進行精密定位，欲改質區域11經過雷射改質後成為已改質區域16。

先使用具備較大視野(FOV)的低倍率攝像鏡頭51進行初級定位，確認工件10上以雷射改質後之已改質區域16的位置，或確認工件10上的定位標記15，再使用FOV較小的高倍率攝像鏡頭52進行精密定位，將加工機40上的加工刀具60對準工件10上已改質區域16、已改質區域16之中心位置、或者定位標記15，以獲得工件欲加工位置之精密資訊，經由分段定位之實施，整體定位精度可達1μm，低倍率大致是指低於20倍(20x)以下之放大倍率，高倍率大致是指高於20倍(20x)以上之放大倍率。上述之光學影像定位輔助設備50亦可使用單一之變焦光學裝置。

透過高倍率攝像鏡頭所擷取之影像訊號，將同步傳輸給控制器模組44、或者外部運算設備，外部運算設備例如但不限於：工業電腦或雲端運算設備，以實施影像處理演算法，對於所擷取包含工件10的影像實施濾波、去雜訊等影像處理，以濾除包含在影像中的環境雜訊與干擾。

加工刀具60較佳是不同形式的鑽頭與刀具，並連接在例如但不限於高速主軸、銑削主軸、車削主軸、搪銑主軸、高速內藏主軸、鑽孔主軸、攻牙主軸、超音波主軸或者雕刻主軸上，以執行多種加工作業，包含但不限於鑽孔作業、切削作業、銑削作業、雕銑作業、雕刻作業、表面研磨拋光及其組合其中之一。

在加工刀具60執行加工作業過程中，加工刀具60將高速運轉，提升加工過程的整體刀具剛性，使刀具加工較硬的環境不會斷刀，而在加工指令部分，舉例來說，對於鑽孔作業，較佳可搭配例如但不限於FANUC G83深孔往復排屑指令設定，透過設定每次進給深度、進給速度以及回歸參考座標的設定，可獲得良好之加工品質。

在加工刀具60執行加工作業過程中，亦可選擇性將工件10全程放置於包含工作流體的環境中，以利碎屑之清除並加強散熱效果，或協助加工速率，其中工作流體可為氣體或溶液，氣體係選自例如但不限於中性氣體、惰性氣體、氮氣、氬氣、酸性蒸氣、或者鹼性蒸氣等，溶液係選自例如但不限於酸性溶液、鹼性溶液、中性溶液、蝕刻液或其組合，蝕刻液係選自例如但不限於硫酸、磷酸、氫氧化鉀、硝酸、氫氟酸或其組合，鹼性溶液係選自例如但不限於氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，中性溶液係選自例如但不限於去離子水、純水或其組合，揮發性液體係選自例如但 不限於異丙醇、乙醇或其組合，溶液亦可為油性液體。

在某實施例，為增加加工效率，可在加工刀具60之切削面鍍上一層貴重金屬，例如但不限於鉑、金、或銀，在酸性或鹼性溶液中加工時，以觸媒催化機理(mechanism)加速加工。若使用之溶液為中性溶液可另增一組電極，其中一極接工件，另一極接溶液中。

第4圖係揭示本發明材料複合加工系統之系統架構示意圖；本發明提出的材料複合式加工系統100，較佳可供實施材料複合加工方法包含：雷射20、加工機40、光學影像定位輔助設備50以及加工刀具60等，還包含機械臂30或其他輸送機構如輸送帶80、或者線性滑軌等。

第5圖係揭示本發明材料複合加工方法與系統使用機械臂整合實施之系統架構示意圖；在本實施例，本發明材料複合式加工系統100是經由整合在單一機械臂而實施，雷射20與加工刀具60，是配置在機械臂30的末端效應器(end effector)31上，機械臂30可分別驅動雷射20及加工刀具60對工件10之欲改質區域11及已改質區域16分別進行改質及加工作業。

第6圖係揭示本發明材料複合加工方法與系統使用加工機整合實施之系統架構示意圖；在本實施例，本發明材料複合式加工系統100是經由整合在單一加工機而實施，雷射20係裝設於加工機40上，雷射20經由動柱式龍門42的驅動而與工件10之間進行相對運動，而對工件10包含之欲改質區域11進行改質，當改質完成後，加工刀具60經由光學影像定位輔助設備50精密定位後，對已改質區域16進行加工作業。

在某些實施例中，本發明材料複合式加工系統100將整併在單一工作站、工作單元(work cell)、同一設備或同一產線中，以合併執行雷 射改質與機械加工，但在某些實施例中，本發明材料複合式加工系統100將分割為兩個部署在空間中不同位置上、用於分別實施雷射改質與機械加工的二個工作站。

在某一實施例，本發明材料複合式加工系統100較佳可以整併在單一工作站中實施，單一工作站之工作單元組態至少包含雷射20、機械臂30等設備，以執行雷射改質作業，並且還至少包含加工機40、光學影像定位輔助設備50、加工刀具60等設備，以執行機械加工作業。

在某一實施例，本發明材料複合式加工系統100較佳是分散在不同的多組工作站中分別實施，例如但不限於分散在第一工作站與第二工作站中分別實施。第一工作站之工作單元組態至少包含雷射20、機械臂30等設備，以執行雷射改質作業，第二工作站之工作單元組態至少包含加工機40、光學影像定位輔助設備50、加工刀具60等設備，以執行機械加工作業，當工件10從第一工作站轉移到第二工作站時，可以由機械臂30執行，或者另外在第一工作站與第二工作站之間部署輸送機、輸送帶或線性滑軌等輸送機構，以將工件10從第一工作站轉移到第二工作站。

第7圖係揭示本發明應用在為探針卡裝置陶瓷導板組件鑽孔作業之示意圖；探針卡(probe card)係應用在積體電路(IC)封裝前的晶圓測試，提供晶粒與測試機之間的電性連結，可視為一種特製的連接器，為了應對積體電路尺寸微型化導致單位面積內的焊墊(bond pad)密度大幅提高，以垂直式探針卡為例，探針卡70上作為探針夾具(jig)的低電感、低熱膨脹、低阻抗、高強度的陶瓷導板(guide plate)71，必須在極小的面積範圍內，非常準確地密集開設數量或許高達數百個的探針孔72，以供密集配置探針 (probe pins)73，以便透過探針73電性接觸晶粒74上的焊墊75，這些探針孔73的孔徑，較佳小於20μm，以允許配置直徑更小的探針，並增加單位面積內的探針數量密度。

習用加工技術面對更小孔徑的鑽孔作業，多半採取替換更細的鑽針執行鑽孔，但面對超硬陶瓷材料上，在單位面積內的高密度貫通孔，將產生鑽針剛性不足斷掉，孔與孔之間的間隙無法承受鑽孔應力導致間隙破裂，以及加工孔破片等問題，本發明材料複合加工方法可應用在探針卡的鑽孔，提高整體鑽孔加工品質。

第8圖係展示經實施本發明材料複合加工方法對欲改質區域進行雷射改質後改質部位之實際影像；第9圖係展示經實施本發明材料複合加工方法對已改質區域進行機械鑽孔後加工孔之實際影像；本發明提出的材料複合加工方法較佳係用於加工硬脆材料(hard-brittle materials)、超硬材料(ultrahard materials)、難削材(difficult-to-cut materials)、三維結構物件、或者包含3D曲面的三維結構物件，首先透過雷射光束攜帶適當能量使材料改質，經由光學精密定位後，進行機械加工，本發明提出之方法與系統比習用各種加工方法加工效率更高，經改質後材料再由加工機鑽孔時，材料不會產生錐孔角，孔徑內周面可達鏡面粗糙度，並有效減少刀具磨損、提升刀具使用壽命等優點。

本發明提出的材料複合加工方法適用於至少包含例如但不限於以下材料之各種物件，並以此物件作為工件10：矽(Si)、氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga₂O₃)、氮化鎵(GaN)、藍寶石(sapphire)、玻璃(Glass)、硫化鎘(CdS)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si₃N₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、超級合金 (superalloy)、石英(quartz)、陶瓷(ceramics)、鈦-6鋁-4釩(Ti₆Al₄V)、金屬玻璃(metallic glass)、鑽石(diamond)、人工鑽石(polycrystalline diamond)、氮化鈦(TiN)、氮化釩(VN)、碳化鎢(WC)、鈦合金(titanium alloy)、模具鋼(STAVAX)以及鎳基合金(Inconel)其中之一。

總結而言，本發明使用複合加工法來對硬脆材料進行加工，首先透過雷射能量使材料改質，再透過例如但不限於高速雕銑機進行二次加工，透過高速雕銑機鑽孔不會有錐孔角問題、孔徑內周面可達鏡面粗糙度，以及可以有效減少刀具磨損、提升刀具使用壽命。

第10圖係揭示本發明材料複合加工方法之一實施例其步驟流程圖；在本實施例，本發明材料複合加工方法200，較佳包含下列步驟：選擇性地將該工件浸置於工作流體(步驟201)；使用雷射對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質(步驟202)；應用光學影像定位輔助設備對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位，以將刀具對準該已改質區域(步驟203)；以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工作業(步驟204)。

本發明提出使用複合加工法來對材料進行加工，首先透過雷射能量使材料改質，再透過高速加工機進行加工，對於極精密之陣列孔洞之加工，其孔洞直徑往往需達到20μm以下，所以雷射加工改質區對應的每一個孔洞區域極小，故在實施後續機械鑽孔加工前，需導入光學精密定位技術，以低倍率攝影機進行大面積、大範圍(large Field Of View,FOV)初定位，再以高倍率攝影機進行小面積、小範圍(small Field Of View,FOV)精密定位，整體定位精度可達小於1μm，亦可用變焦鏡頭進行大範圍及小範圍 定位。

本發明方法相對於習用加工技術效率更高，以鑽孔作業為例，可供製作孔徑小於20μm的貫通孔或盲孔，所製作的貫通孔或盲孔不會有錐孔角問題，孔徑內周面可達鏡面粗糙度，並可有效減少刀具磨損、提升刀具使用壽命。

本發明提出一種材料複合加工方法，其包含：使用雷射對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行雷射改質以改變該欲改質區域之材料性質(改質)；應用光學影像定位技術實施分段定位，以將刀具對準該已改質區域；以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工。該雷射裝置可為單一或多個雷射源，該雷射源可為點光源或線光源，藉由多道點光源可同時對工件進行改質，或藉由多道線光源可同時對工件進行改質。該雷射源可為連續性或脈衝式雷射。該連續性雷射可為CO₂雷射、CO雷射、氦鎘雷射、半導體雷射、光纖雷射、氦氖雷射。該脈衝式雷射可為準分子雷射、光纖雷射、固體(YAG)雷射。雷射光波長可為深紫外線(EUV、DUV)、紫外線(UV)、綠光、近紅外光、中紅外光等。

所述之材料複合加工方法，還包含以下其中之一：將經由該雷射光處理後之該工件，轉移至包含該加工刀具之加工機；應用該低倍率之光學影像定位輔助設備對工件表面之多個定位標誌(position marks)進行大面積、大範圍(large Field Of View)定位，將該定位標誌影像座標系統轉換為機械加工座標系統，依據機械加工座標系統將高倍率之光學影像定位輔助設備對準該定位標誌進行極精密之定位，將該精密定位標誌影像座標系統轉換為機械加工座標系統，若加工孔洞較大而定位精度要求較低時，只 需以低倍率之光學影像定位輔助設備進行定。上述之攝影設備亦可使用單一之變焦光學裝置，進行大面積及小面積定位；應用上述之光學影像定位裝置實施精密定位，使該刀具對準欲改質區域，進行加工。較佳的，在上述的雷射改質及機械加工之工件需浸泡於溶液中，其中，該溶液可為酸性、中性、鹼性、揮發性液體。該酸性溶液可為硫酸、磷酸、氫氧化鉀、硝酸、氫氟酸或其組合，該鹼性溶液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，該中性溶液可為去離子水、純水，該揮發性液體可為異丙醇、乙醇或其組合。該溶液亦可為油性液體；該工件之材料可為矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)、氧化鎵(Ga₂O₃)、藍寶石(Sapphire)、硫化鎘(CdS)、氮化鎵(GaN)、玻璃(Glass)、石英(Quartz)或人工鑽石。

上述之雷射裝置及刀具皆可設置於加工機或機械臂上，利用機械臂實施所述之材料複合加工方法，還包含以下其中之一：使用機械臂移動該雷射以對該工件之該欲改質區域進行改質加工；該機械臂可依循3D工作路徑移動該雷射，對該工件之3D曲面進行改質；以及使用該機械臂移動經由該雷射光處理後之該工件之已改質部位進行改質，已改質之部位可為該工件內部欲形成之通孔、盲孔、溝槽，或該工件表面任意形狀之凹槽，或表面欲降低粗糙度之區域。該刀具可為孔洞加工工具、表面雕銑工具或表面拋光研磨工具，或其組合。上述之加工步驟亦可於加工機上完成。

本發明係一種材料複合加工方法，其包含：使用雷射對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質；應用光學影像定位輔助設備實施對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位，以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工 作業。其中該雷射改質及刀具加工之工件可浸置於工作流體中。該工作流體可為氣體或溶液。該氣體係選自：氮氣、氬氣、酸性蒸氣、鹼性蒸氣、或其組合。該溶液係選自：酸性溶液、鹼性溶液、中性溶液、蝕刻液、中性氣體、惰性氣體及其組合，該酸性溶液可為硫酸、磷酸、氫氧化鉀、硝酸、氫氟酸或其組合，該鹼性溶液可為氫氧化鈉、氫氧化鉀等或其組合，該中性溶液可為去離子水、純水，該揮發性液體可為異丙醇、乙醇或其組合；該溶液亦可為油性液體。使用一機械臂移動該雷射以對該工件之該欲改質區域進行改質。使用機械臂移動該刀具以對該工件之該已改質區域進行加工。該機械臂依循3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的3D曲面進行改質。該雷射係裝設加工機台中，以使該雷射與該工件進行相對運動，使該雷射對加工件之欲改質區域進行改質。使用加工機使刀具與該工件進行相對運動，使該刀具對該工件之該已改質區域進行加工。該加工機可為多軸加工機、多軸雕銑機、車床工具機、搪床工具機、磨床工具機、研磨拋光機、銑床機或鑽削機。該雷射可為連續式雷射(CW Lasers)、雷射(Pulsed Lasers)、或其組合。該工件係硬脆材料、超硬材料、難削材、三維結構物件、或者包含3D曲面的三維結構物件。

本發明係一種材料複合加工系統，其包含雷射，其經配置對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行材料改質；光學影像定位輔助設備，其經配置對該工件之已改質區域或定位標記進行精密定位；以及機械臂或加工機，其經配置以驅動該雷射及刀具對該工件之該欲改質區域及已改質區域分別進行改質及加工作業。該機械臂，其經配置依循3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的3D曲面進行 改質。

本發明以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本發明實施例如次：

實施例1：一種材料複合加工方法，其包含：使用雷射對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質；應用光學影像定位輔助設備對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位，以將刀具對準該已改質區域；以及驅動該刀具對該已改質區域進行加工作業。

實施例2：如實施例1所述之材料複合加工方法，還包含以下其中之一：將該工件浸置於工作流體；使用加工機使該刀具與該工件進行相對運動，使該刀具對該工件之該已改質區域進行加工；使用機械臂移動該雷射以對該工件之該欲改質區域進行改質；以及使用該機械臂移動該刀具以對該工件之該已改質區域進行加工。

實施例3：如實施例2所述之材料複合加工方法，其中該工作流體可為氣體或溶液。

實施例4：如實施例3所述之材料複合加工方法，其中該氣體係選自中性氣體、惰性氣體、氮氣、氬氣、酸性蒸氣、鹼性蒸氣及其組合其中之一，該溶液係選自油性液體、酸性溶液、鹼性溶液、中性溶液、蝕刻液及其組合其中之一，該酸性溶液係選自硫酸、磷酸、氫氧化鉀、硝酸、氫氟酸及其組合其中之一，該鹼性溶液係選自氫氧化鈉、氫氧化鉀及其組合其中之一，該中性溶液係選自去離子水、純水及其組合其中之一，該揮 發性液體係選自異丙醇、乙醇及其組合其中之一。

實施例5：如實施例2所述之材料複合加工方法，其中該機械臂依循3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的3D曲面進行改質。

實施例6：如實施例2所述之材料複合加工方法，其中該加工機係選自多軸加工機、多軸雕銑機、車床工具機、搪床工具機、磨床工具機、研磨拋光機、銑床機或鑽削機。

實施例7：如實施例1所述之材料複合加工方法，其中該雷射係選自連續式雷射、脈衝式雷射及其組合其中之一。

實施例8：如實施例1所述之材料複合加工方法，其中該工件係硬脆材料、超硬材料、難削材、三維結構物件、或者包含3D曲面的三維結構物件。

實施例9：如實施例1所述之材料複合加工方法，其中該刀具之切削面可鍍上一層貴重金屬。

實施例10：一種材料複合加工系統，其包含：雷射，其經配置對工件之欲改質區域發射雷射光，而對該欲改質區域進行材料改質；光學影像定位輔助設備，其經配置對該工件之已改質區域或該工件上之定位標記進行精密定位；以及機械臂或加工機，其經配置以驅動該雷射及刀具對該工件之該欲改質區域及該已改質區域分別進行改質及加工作業。

實施例11：如實施例10所述之材料複合加工系統，其中該機械臂經配置依循3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的3D曲面進行改質。

實施例12：如實施例10述之材料複合加工系統，其中該雷射係裝設於該加工機台中，以使該雷射與該工件進行相對運動，使該雷射對該工件之該欲改質區域進行改質。

實施例13：如實施例10所述之材料複合加工系統，其中該刀具之切削面可鍍上一層貴重金屬。

本發明各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，本發明保護範圍之界定，悉以本發明申請專利範圍所記載者為準。

100:本發明材料複合加工系統

20:雷射

30:機械臂

40:加工機

50:光學影像定位輔助設備

60:加工刀具

80:輸送帶

Claims (13)

1. 一種材料複合加工方法，其包含：

   使用一雷射對一工件之一欲改質區域發射一雷射光，而對該欲改質區域進行改質以改變該欲改質區域之性質；

   應用一光學影像定位輔助設備對該工件之一已改質區域或該工件上之一定位標記進行精密定位，以將一刀具對準該已改質區域；以及

   驅動該刀具對該已改質區域進行加工作業。
2. 如請求項1所述之材料複合加工方法，還包含：

   將該工件浸置於一工作流體；

   使用一加工機使該刀具與該工件進行相對運動，使該刀具對該工件之該已改質區域進行加工；

   使用一機械臂移動該雷射以對該工件之該欲改質區域進行改質；以及

   使用該機械臂移動該刀具以對該工件之該已改質區域進行加工。
3. 如請求項2所述之材料複合加工方法，其中該工作流體可為一氣體或一溶液。
4. 如請求項3所述之材料複合加工方法，其中該氣體係選自一中性氣體、一惰性氣體、一氮氣、一氬氣、一酸性蒸氣、一鹼性蒸氣或其組合，該溶液係選自一油性液體、一酸性溶液、一鹼性溶液、一中性溶液、一蝕刻液或其組合，該酸性溶液係選自一硫酸、一磷酸、一氫氧化鉀、一硝酸、 一氫氟酸或其組合，該鹼性溶液係選自一氫氧化鈉、一氫氧化鉀或其組合，該中性溶液係選自一去離子水、一純水或其組合，該揮發性液體係選自一異丙醇、一乙醇或其組合。
5. 如請求項2所述之材料複合加工方法，其中該機械臂依循一3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的一3D曲面進行改質。
6. 如請求項2所述之材料複合加工方法，其中該加工機係選自一多軸加工機、一多軸雕銑機、一車床工具機、一搪床工具機、一磨床工具機、一研磨拋光機、一銑床機或一鑽削機。
7. 如請求項1所述之材料複合加工方法，其中該雷射係選自一連續式雷射、一脈衝式雷射或其組合。
8. 如請求項1所述之材料複合加工方法，其中該工件係一硬脆材料、一超硬材料、一難削材、一三維結構物件、或者包含3D曲面的一三維結構物件。
9. 如請求項1所述之材料複合加工方法，其中該刀具之切削面可鍍上一層貴重金屬。
10. 一種材料複合加工系統，其包含：

    一雷射，其經配置對一工件之一欲改質區域發射一雷射光，而對該欲改質區域進行材料改質；

    一光學影像定位輔助設備，其經配置對該工件之一已改質區域或該 工件上之一定位標記進行精密定位；以及

    一機械臂或一加工機，其經配置以驅動該雷射及一刀具對該工件之該欲改質區域及該已改質區域分別進行改質及加工作業。
11. 如請求項10所述之材料複合加工系統，其中該機械臂經配置依循一3D工作路徑移動該雷射，以對該工件之該欲改質區域包含的一3D曲面進行改質。
12. 如請求項10述之材料複合加工系統，其中該雷射係裝設於該加工機台中，以使該雷射與該工件進行相對運動，使該雷射對該工件之該欲改質區域進行改質。
13. 如請求項10述之材料複合加工系統，其中該刀具之切削面可鍍上一層貴重金屬。

Images