TWI496643B - 三維加工裝置 - Google Patents

Description

三維加工裝置

本揭露係關於一種三維加工裝置，特別是一種藉由控制光源、變焦光學模組、及二維掃描元件而三維移動焦點的三維加工裝置。

這些年來，隨著3C(電腦、通訊及消費性電子)產業之不斷發展，實現3C產品之高精度加工顯得亦愈加重要。目前3C產品之框架部件加工經常係採用衝壓方式。衝壓，即藉由模具對板材施加壓力或拉力以形成剪切力去除板材之多餘部分，並使板材成形，從而獲得具有一定尺寸、形狀及性能之產品。然，分離後之板材多餘部分，因不能再被利用，其將成為廢料，進而造成原材料之浪費，導致加工成本較高。

雷射加工方法亦係應用於3C產品之加工方法之一，其係利用雷射器產生一雷射光束，經由定焦匯聚透鏡匯聚形成一聚焦光斑，使該聚焦光斑照射於待加工件之目標加工位置，並水平移動該待加工件，聚焦光斑照射處之待加工件材料吸收熱量後將迅速局部熔化，隨著待加工件或聚焦光斑之不斷移動，即可達到加工目的。該方法避免了原材料之浪費，還具有速度快、深/寬比高等優點。

一般而言，各種傳統的機械式加工裝置的反應時間與加工範圍有先天的限制。因為此加工裝置中的機械式透鏡的反應時間較 電子式透鏡為慢，而且機械式加工裝置利用馬達變動透鏡的距離來改變雷射焦點的動態範圍，其動態範圍的大小直接反映在機械式加工裝置的體積和馬達的行程長度。若要具有較廣的加工範圍，則需使機械式加工裝置的體積增加，將造成成本的增加而不符經濟效率。

根據本揭露之一實施例，一種三維加工裝置包括一光源、一變焦光學模組、一二維掃描元件、一聚焦透鏡、及一控制組件。光源用以產生一光線，此光線係沿一光軸行進。變焦光學模組用以接收光線並改變光線之一焦點的深度。二維掃描元件用以接收行經於變焦光學模組之光線，且二維掃描元件具有一振鏡，此振鏡反射光線並使光線於一垂直於光軸之平面上來回掃描。聚焦透鏡用以接收行經於二維掃描元件之光線，且聚焦透鏡使光線聚焦於焦點。控制組件則具有一查找表，此控制組件用以根據查找表而控制光源、變焦光學模組、及二維掃描元件，以三維移動焦點。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何 熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請參照『第1圖』，係為根據本揭露之第一實施例之一種三維加工裝置100之示意圖，包括一光源110、一變焦光學模組120、一二維掃描元件130、一聚焦透鏡140、及一控制組件150。

如『第1圖』所示，光源110用以產生一光線，此光線係沿一光軸111行進，在部份實施例中，光源110可以為同調光源，例如雷射光，其雷射光可為固態雷射光、氣體雷射光、或是半導體雷射光，但不以此為限。

變焦光學模組120用以接收前述光源110發出的光線並改變此光線之一焦點121的深度，此處的深度指的是在光軸111方向光源110與焦點121間的距離。在部份實施例中，變焦光學模組120可為一液態透鏡與一透鏡，但不以此為限。此外，此焦點121的深度可沿著光軸111做改變，換言之，可沿著z軸方向做移動。二維掃描元件130用以接收行經於變焦光學模組120之光線，且二維掃描元件130具有一振鏡，此振鏡反射照射於振鏡上的光線並使該光線於一垂直於光軸111之平面131上來回掃描。在部份實施例中，二維掃描元件130可為檢流計振鏡，但不以此為限。

聚焦透鏡140用以讓經過二維掃描元件130之光線穿過，且聚焦透鏡140使光線聚焦於焦點121。此聚焦透鏡140可使光線產生一聚焦光斑，當聚焦光斑於光軸111(z軸)來回移動時，此聚焦 光斑的直徑變異在以10%內。在本實施例中，此聚焦光斑可以分為X軸聚焦光斑與Y軸聚焦光斑，兩者的直徑變異皆在以10%內。

控制組件150則具有一查找表151，此控制組件150用以根據查找表151而控制光源110、變焦光學模組120、及二維掃描元件130，以三維移動焦點121。此外，控制組件150另包括一軟體程式，用以建立查找表151之設定介面。

在本實施例中，查找表151為一具有變焦光學模組120的驅動電壓、二維掃描元件130的驅動訊號、及焦點121的位置座標的表格資料。此外，所謂三維移動指的是光源110發出的光線在行經二維掃描元件130的振鏡時，振鏡會反射此光線並使該光線於一垂直於光軸111之平面131上來回掃描，當控制組件150根據查找表151而輸出對應之變焦光學模組120的驅動電壓，將使得焦點121的深度改變至所對應之位置座標，亦即二維平面來回掃描搭配第三維度之深度的移動，因此稱為三維移動。

此外，前述的變焦光學模組120可接收一輸入電流，當輸入電流為84mA時，聚焦透鏡140至焦點121的距離為160mm，當輸入電流為94mA時，聚焦透鏡140至焦點121的距離為137mm，而當輸入電流為110mA時，聚焦透鏡140至焦點121的距離則為60mm。當前述的聚焦光斑於光軸111(z軸)來回移動時，亦即聚焦透鏡140至焦點121的距離來回變化時，此聚焦光斑的直徑變異在以10%內。

如『第1圖』所示，在一物件做加工時，當加工位置位於欲 燒結處時，控制組件150會先控制此光源110發出一光線，此處的光線例如但不限於雷射光，以讓此光線沿光軸111行進。接著此光線會依序行經變焦光學模組120與二維掃描元件130，同時控制組件150會依所欲加工位置之位置座標於查找表151中查找出對應此位置座標的參數值(亦可稱加工參數值)，亦即變焦光學模組120的驅動電壓與二維掃描元件130的驅動訊號。

接著控制組件150會輸出所對應的驅動電壓至變焦光學模組120與所對應的驅動訊號至二維掃描元件130。因而控制組件150控制變焦光學模組120的曲率以做調變，且控制組件150亦控制二維掃描元件130中的振鏡並反射照射於振鏡上的光線，以使該光線於一垂直於光軸111之平面131上來回掃描。在部份實施例中，此變焦光學模組120的曲率之調變的響應時間可小於1毫秒。最後聚焦透鏡140用以讓經過二維掃描元件130之光線穿過，且聚焦透鏡140使光線聚焦於焦點121，即聚焦於指定的位置以三維地來回移動焦點121做燒熔而加工。

關於三維加工的製程，舉例而言，先取得待加工成品的外觀資訊，若以該外觀資訊的垂直軸為平行光軸111之軸向時，將該外觀資訊以垂直於該垂直軸之平面131切分，每一切下來的平面131即為一個特定深度的掃描資料，此掃描資料即為對應該深度的一個二維排列的多個點資料。此外，每個點資料除了座標資訊外，亦具有是否燒熔的訊息，所謂的燒熔即表示該區域是要加工去掉的，不燒熔即表示要保留的區域。

接著，控制組件150依據該深度的該些二維排列的點資料，在查找表151中查找出對應之變焦光學模組120的驅動電壓與二維掃描元件130的驅動訊號，於該深度的該些二維排列的點資料所構成之平面131上來回加工。當完成該深度的該些二維排列的點資料之加工後，將繼續加工對應另一深度之二維排列的多個點資料，依此逐步將每一切下來的平面131完成加工，便可加工出該待加工成品之輪廓以完成三維加工的製程。

請接著參閱『第2圖』，係為根據本揭露之第二實施例之一種三維加工裝置100之示意圖。如『第2圖』所示，此三維加工裝置100另包括一焦距偵測器160以完成控制組件150中之查找表151的校正與設定。其餘之光源110、變焦光學模組120、二維掃描元件130、聚焦透鏡140、及控制組件150的功用與作動方式皆與前述之第一實施例相同，在此不再贅述。此外，此三維加工裝置100另包括一擴束鏡(未繪示於圖中)，設置於光源110與變焦光學模組120之間，此擴束鏡具有一擴束倍率並用以改變焦點121的直徑，在本實施例中，此焦點121的直徑亦為聚焦光斑的直徑。

如『第2圖』所示，焦距偵測器160用以偵測前述焦點121之深度，控制組件150係以一預定參數控制變焦光學模組120並接收焦距偵測器160之偵測深度後，將預定參數及偵測深度寫入內建於控制組件150中的查找表151，以使三維加工裝置100能依照此查找表151作為未來加工時的加工參數資料庫。在部份實施例中，焦距偵測器160可為雷射測距儀，但不以此為限。

在本實施例中，此預定參數可為電壓或是電流，換言之，可以透過控制組件150輸出不同的驅動電壓或是驅動電流以控制變焦光學模組120作曲率之調變。在部份實施例中，此曲率之調變的響應時間可小於1毫秒，電壓的範圍可介於0V至5V，而電流的範圍可介於0mA至110mA。而焦距偵測器160將根據變焦光學模組120之不同的驅動電壓偵測到不同之焦點121的深度後，再透過控制組件150將不同的偵測深度寫入查找表151中。如此一來，便可完整建立物件加工時所需的參數於查找表151中，換言之，查找表151將具有變焦光學模組120的驅動電壓、二維掃描元件130的驅動訊號、及焦點121的位置座標的表格資料，以完成控制組件150中之查找表151的校正與設定。

綜上所述，相較於習知技術，本揭露係為透過查找表而控制光源、變焦光學模組、及二維掃描元件，以三維移動焦點的電子式加工裝置，亦即根據查找表以對應驅動電壓而調制變焦光學模組之曲率，以提升三維雷射加工裝置之工作效率，亦即縮短第三維度的動態反應時間並增加動態加工的範圍。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100‧‧‧三維加工裝置

110‧‧‧光源

111‧‧‧光軸

120‧‧‧變焦光學模組

121‧‧‧焦點

130‧‧‧二維掃描元件

131‧‧‧平面

140‧‧‧聚焦透鏡

150‧‧‧控制組件

151‧‧‧查找表

160‧‧‧焦距偵測器

第1圖係為根據本揭露之第一實施例之一種三維加工裝置之示意圖。

第2圖係為根據本揭露之第二實施例之一種三維加工裝置之示意圖。

100‧‧‧三維加工裝置

110‧‧‧光源

111‧‧‧光軸

120‧‧‧變焦光學模組

121‧‧‧焦點

130‧‧‧二維掃描元件

131‧‧‧平面

140‧‧‧聚焦透鏡

150‧‧‧控制組件

151‧‧‧查找表

Claims (20)

1. 一種三維加工裝置，包括：一光源，用以產生一光線，該光線係沿一光軸行進；一變焦光學模組，用以接收該光線並改變該光線之一焦點的深度；一二維掃描元件，用以接收行經於該變焦光學模組之該光線，且該二維掃描元件具有一振鏡，該振鏡反射該光線並使該光線於一垂直於該光軸之平面上來回掃描；一聚焦透鏡，用以接收行經於該二維掃描元件之該光線，且該聚焦透鏡使該光線聚焦於該焦點；以及一控制組件，具有一查找表，該控制組件用以根據該查找表而控制該光源、該變焦光學模組、及該二維掃描元件，以三維移動該焦點。
2. 如請求項1所述的三維加工裝置，另包括一焦距偵測器，用以偵測該焦點之該深度，該控制組件係以一預定參數控制該變焦光學模組並接收該焦距偵測器之偵測深度後，將該預定參數及該偵測深度寫入該查找表。
3. 如請求項2所述的三維加工裝置，其中該焦距偵測器為雷射測距儀。
4. 如請求項2所述的三維加工裝置，其中該預定參數為電壓。
5. 如請求項4所述的三維加工裝置，其中該預定參數的範圍介於0V至5V。
6. 如請求項4所述的三維加工裝置，其中該預定參數為電流。
7. 如請求項6所述的三維加工裝置，其中該預定參數的範圍介於0mA至110mA。
8. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該光源為同調光源。
9. 如請求項8所述的三維加工裝置，其中該光源為雷射光。
10. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該變焦光學模組為一液態透鏡與一透鏡。
11. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該聚焦透鏡使該光線產生一聚焦光斑，當該聚焦光斑於該光軸來回移動時，該聚焦光斑的直徑變異在以10%內。
12. 如請求項11所述的三維加工裝置，其中該聚焦光斑為X軸聚焦光斑。
13. 如請求項12所述的三維加工裝置，其中該聚焦光斑為Y軸聚焦光斑。
14. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該變焦光學模組用以接收一輸入電流，當該輸入電流為84mA時，該聚焦透鏡至該焦點的距離為160mm。
15. 如請求項14所述的三維加工裝置，當該輸入電流為94mA時，該聚焦透鏡至該焦點的距離為137mm。
16. 如請求項15所述的三維加工裝置，當該輸入電流為110mA時，該聚焦透鏡至該焦點的距離為60mm。
17. 如請求項1所述的三維加工裝置，另包括一擴束鏡，用以改變 該焦點的直徑。
18. 如請求項17所述的三維加工裝置，其中該擴束鏡具有一擴束倍率。
19. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該二維掃描元件為檢流計振鏡。
20. 如請求項1所述的三維加工裝置，其中該控制組件另包括一軟體程式，該軟體程式用以建立該查找表之設定介面。