特開 2024-169325 物品の穴のアブレーション方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024169325

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】物品の穴のアブレーション方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/382 20140101AFI20241128BHJP

【ＦＩ】

B23K26/382

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024071996

(22)【出願日】2024-04-26

(31)【優先権主張番号】18/201,457

(32)【優先日】2023-05-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】110002848

【氏名又は名称】弁理士法人ＮＩＰ＆ＳＢＰＪ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】レグラー、ホルガー ベンジャミン

(72)【発明者】

【氏名】シンプソン、スタンリー フランク

(72)【発明者】

【氏名】ホーベル、マティアス

(72)【発明者】

【氏名】ロマス、ジョナサン

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD12

4E168AD18

4E168CA06

4E168CB04

4E168CB07

4E168CB22

4E168CB23

4E168DA32

4E168DA40

4E168DA45

4E168DA46

4E168DA47

4E168EA15

4E168JA01

4E168JA15

4E168JB04

(57)【要約】

【課題】多大な時間及び労力を必要とせず、しかも部品又はその上の皮膜に悪影響を与えずに、部品の多数の穴から残渣及び障害物を取り除くための方法及び装置を提供する。
【解決手段】物品（１０）の１以上の穴（１４）のレーザーアブレーションの方法は、アブレーション特性を確立するステップ（６０２）を含む。アブレーション特性は、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性又は同期機械動作特性である。作成ステップ（６０４）は、物品の第１の加工帯域及び第２の加工帯域について確立されたアブレーション特性に基づいて、レーザービームのレーザー経路計画を作成する。アブレーションステップ（６０８）は、第１のアブレーション特性で第１の加工帯域をアブレーション加工し、しかる後、第１のアブレーション特性とは異なる第２のアブレーション特性で第２の加工帯域をアブレーション加工する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

物品（１０）の１以上の穴（１４）のレーザーアブレーションの方法であって、当該方法が、
アブレーション特性を確立するステップ（６０２）であって、前記アブレーション特性が、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性及び同期機械運動特性の少なくとも１つである、ステップ（６０２）と、
前記物品の第１の加工帯域及び第２の加工帯域について確立されたアブレーション特性に基づいて、レーザービームのレーザー経路計画を作成するステップ（６０４）と、
第１のアブレーション特性を有する第１の加工帯域をアブレーション加工し（６０８）、しかる後、第１のアブレーション特性とは異なる第２のアブレーション特性を有する第２の加工帯域をアブレーション加工するステップと
を含む方法。

【請求項2】

前記レーザー特性が、レーザーパルス幅又はパルス持続時間、レーザー周波数、レーザーパルスピークパワー、波長、平均レーザー出力、レーザービーム品質、繰返し率、パルスエネルギー、レーザースポットサイズ及び焦点距離のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記レーザーパルス幅が、ピコ秒域又は１ピコ秒～１０００ピコ秒の範囲内又は１ピコ秒～１５ピコ秒の範囲内にある、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

第１のレーザー特性の第１のレーザーパルス幅がピコ秒域にあり、第２のレーザー特性の第２のレーザーパルス幅がナノ秒域又はマイクロ秒域にある、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記レーザーの動作パラメータが、約０．０５ｍｍ～約０．５ｍｍのレーザースポットサイズ直径、１０ｋＨｚ～１０ＭＨｚの繰返し率、１～３のレーザービーム品質（Ｍ^２）の１以上である、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記平均レーザー出力が２５Ｗ～２５０Ｗである、請求項２に記載の方法。

【請求項7】

前記加工帯域特性が、前記物品の第１の皮膜層（１８）及び第２の皮膜層（１７）の少なくとも一方である、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

第１の皮膜層（１７）がトップコートであり、第２の皮膜層（１８）がボンドコートである、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記レーザー（２２）に対する物品（１０）の移動を必要とせずに前記レーザー経路計画を変更することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記レーザー経路計画が、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性並びに第１の加工帯域及び第２の加工帯域の少なくとも一方に対する同期機械運動特性のうちの１以上の関数である、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記レーザー経路計画が、第１のアブレーションパターンと第２のアブレーションパターンから構成され、第１のアブレーションパターンが第２のアブレーションパターンと異なる、請求項１１に記載の方法。

【請求項12】

確立ステップ、作成ステップ及びアブレーションステップの完了後、前記物品（１０）及び前記レーザー（２２）の少なくとも一方を移動させて、確立ステップ、作成ステップ及びアブレーションステップを繰り返す、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

前記冷却穴特性が、穴（１４）の寸法、前記物品（１０）の材料の熱応答性、所望の冷却穴の全体３次元形状、拡散部（１９）の形状、セラミック充填、金属充填、及び仕上げ、部分アブレーション及び完全に被覆された穴を含む冷却穴の熱特性のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

前記レーザー経路計画を作成するステップが、第１のアブレーションパターン及び第２のアブレーションパターンを確立し、第１のアブレーションパターンが第２のアブレーションパターンと異なる、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

第１の加工帯域から第２の加工帯域に移行するときに、前記レーザー（２２）及び前記物品（１０）の少なくとも一方を移動させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、広義にはガスタービンに関するものであり、さらに具体的には、ガスタービンアセンブリの物品の穴をアブレーション加工又は清掃する方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンのような回転機械は、製造及び／又はメンテナンスの一環として表面再加工及び／又は被覆を要する数多くの部品を含んでいる。これらの部品の表面再加工及び被覆は、部品内の穴又は開口が皮膜で覆われたり、塞がれてしまう状況をもたらすことが多々ある。穴は回転機械の物品その他の部品を冷却する。その結果、穴から残留物又は過剰の皮膜の形態の残渣をすべて取り除く必要がある。

【0003】

一般に、コンピュータ制御の切削装置（例えばレーザー）は、多数の穴から残渣を取り除くように構成されている。しかし、このプロセスは、部品の多種多様な複雑な輪郭表面に多数の穴を開ける必要があって、各穴毎にレーザーの移動及び再配向を要する場合には、困難で時間がかかる。

【0004】

ガスタービン部品では、被覆作業後に清掃しなければならない冷却穴が数多くあることが多いため、プロセス時間を最小限に抑制して部品のスループットを最大限にするために、穴の清掃作業をできるだけ効率的な手段で行うことが重要となる。次のプロセスステップに備えるため、切削装置又は部品自体のいずれかを物理的に移動することは、プロセスのこの段階では切削装置は通例作動しないので、プロセス全体の非効率性が増してしまうことが多い。

【0005】

そこで、実質的な時間及び労力を必要とせず、部品又はその上の皮膜に悪影響を与えずに、部品の多数の穴から残渣及び障害物を取り除くための方法及び装置が必要とされている。

【発明の概要】

【0006】

以下、本明細書に記載した様々な実施形態の幾つかの態様についての基本的な理解を図るため、本願で開示する技術的内容について簡単に要約する。この要約は、様々な実施形態を幅広くまとめたものではない。これは、特許請求の範囲に記載された発明の基本的又は本質的特徴を特定するものでも、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を定めるのに資するためのものでもない。その唯一の目的は、以下の詳細な説明の前置きとして、本発明の幾つかの技術的思想を簡潔に紹介することである。

【0007】

一実施形態では、物品の１以上の穴のレーザーアブレーション方法を提供する。本方法は、アブレーション特性を確立するための確立ステップを含む。アブレーション特性は、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性及び同期機械運動特性の少なくとも１つである。作成ステップでは、物品の第１の加工帯域及び第２の加工帯域に対して確立されたアブレーション特性に基づいて、レーザービームのレーザー経路計画を作成する。アブレーションステップは、第１のアブレーション特性で第１の加工帯域をアブレーション加工し、しかる後、第１のアブレーション特性とは異なる第２のアブレーション特性で第２の加工帯域をアブレーション加工する。

【0008】

非限定的な実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって、本発明の理解を深めることができるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係るレーザーアブレーションシステムに適合した例示的な物品を示す図。

【図2】レーザーアブレーションシステムの実施形態の概略図。

【図3】本願で開示するレーザーアブレーションシステム及び方法に適合した物品並びに一実施形態に係るレーザーアブレーション方法のアブレーションパターンを示す図。

【図4】一実施形態に係る再被覆処理後の複数の冷却穴、トップコート及びボンドコートを有する物品を示す図。

【図5A】図２のレーザーアブレーションシステムのレーザー動作パラメータの一実施形態のパルス幅を示す図。

【図5B】図２のレーザーアブレーションシステムのレーザー動作パラメータの第２の実施形態のパルス幅を示す図。

【図6】一実施形態に従って、図２に示す例示的な装置などで、物品の１以上の穴を清掃するためのレーザーアブレーション方法の流れ図。

【図7】一実施形態に係るコンピューティングシステムの例を示す図。

【図8】一実施形態に係るレーザーアブレーションシステムの例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付の図面を参照して本方法及びシステムの例示的な実施形態について十分に説明する。幾つかの実施形態を示してあるが、すべての実施形態が示してあるわけではない。実際、本方法及びシステムは、多種多様な形態で具体化することができ、本願に記載の実施形態に限定されると解すべきではない。これらの実施形態は、本開示が法的要件を満足するように、提示される。同様の符号は同様の構成要素を示すことがある。

【0011】

本明細書で用いる「アブレーション加工」又は「アブレーション」という用語は、材料の除去をいう。これは、工具又は切削装置で材料を除去することによって達成される。本願で開示する方法及びシステムは、レーザーパルスを発振する切削装置を用いて、一連の穴から材料を除去することに関する。本願で開示する方法及びシステムは、エッジ、表面及び／又は穴からの材料のアブレーションを伴う他の方法にも適用できる。

【0012】

ここで図面を参照すると、図１はタービンブレードの形態の物品１０を示す。ただし、物品１０は、ノズル、ベーン、ディフューザ、シュラウドその他の適切なガスタービン部品であってもよい。物品１０の輪郭形成された外面１２は、冷却穴の形態の多数の穴１４を有する。穴１４は、外面１２上での位置に基づいて寸法及び／又は配向が異なっていてもよい。物品１０の製造時及び改修時に、物品は通例表面皮膜で被覆され、物品１０及びその内部の冷却チャネルの適切な機能を担保するため、完全又は部分的に閉塞した穴１４から表面皮膜を取り除かなくてはならない。様々な表面皮膜及び／又は基板を外面１２に追加してもよいが、穴１４及び関連する冷却チャネルを適切に機能できるようにするため除去しなければならない。本開示は、広義には、物品１０の一連の穴１４のアブレーション加工の方法及びシステムに関する。

【0013】

図２を参照すると、レーザーアブレーションシステム全体を符号２０で示す。レーザーアブレーションシステム２０は、レーザー２２の形態のアブレーション装置と制御システム２４とを含む。レーザー２２は、レーザーの物理的並進移動なしで、物品１０の一群の穴における各穴１４にレーザービームパルスを出力するように構成し得る。「レーザー」という用語は、レーザーハードウェアシステムとして定義され、レーザービーム発生器並びに付随するレンズ及びビームステアリング手段を含む。「レーザービーム」という用語は、レーザー又はレーザーアブレーションシステム２０から発振されるビームである。換言すると、一群の穴は、レーザー２２の視野内のすべての穴である。レーザーの視野１５は、図２に破線の長方形で示してある。レーザー２２のステアリング機構（例えばガルバノスキャナー）は、レーザー又は物品のいずれかの物理的並進移動を必要とせずに、視野１５内の各穴にレーザービームが到達できるようにする。レーザーアブレーションシステム２０は、レーザー２２の物理的並進移動なしで、物品１０に対して様々な角度でレーザービームパルスを発振することができる単一のレーザー２２を含んでいてもよい。制御システム２４は、レーザー動作パラメータを含むレーザーアブレーション特性、及び／又は各群の穴に対するアブレーションパターンを確立し、レーザー特性に基づいて、一群の穴に属する穴をアブレーション加工する。以下の方法６００に関して説明するような幾つかの実施形態では、制御システム２４は、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性及び／又は同期機械運動特性を確立し、確立したレーザーアブレーション特性に基づいて穴をアブレーション加工する。換言すると、制御システム２４は、アブレーション加工（すなわち、残渣／障害物を取り除く）すべき穴１４（又は一群の穴）を決定し、かつ穴１４をどのようにアブレーション加工するか（例えばレーザーパルスをどの角度に向けるか、レーザーパルスの振幅／周波数、レーザー出力、アブレーション加工した穴の特異的パターンなど）について決定するのに、確立したレーザーアブレーション特性を用いる。制御システム２４は、物品１０自体の材料特性を考慮し、かつ限定されるものではないが、同一又は類似の物品に対する以前のレーザーアブレーションシステム２０の応用事例から学習した知識を始めとする外部知識を組み込んでもよい。最終的に、制御システム２４は、物品１０への損傷を最小限にするために、確立されたアブレーション特性を使用する。物品１０への損傷は、限定されるものではないが、皮膜の剥落、基板の孔食その他の物理的損傷を始めとする、様々な形態で発生する。

【0014】

図３を参照すると、一実施形態では、制御システム２４は、各々６つの穴を有する４つの特定の群（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）を識別する。図３に示す実施形態では、第１のアブレーションパターンでは、第１の群の穴１６ａは左上の６つの穴１４であり、第２の群の穴１６ｂは右下の６つの穴１４であり、第３の群の穴１６ｃは左下の穴１４であり、第４の群の穴１６ｄは右上の穴１４である。幾つかの実施形態では、制御システム２４は、アブレーション特性を変更して、変更されたアブレーション特性に基づいて、各群の穴における個々の冷却穴１４をアブレーション加工するように構成される。幾つかの実施形態では、制御システム２４は、一連の複数の群の穴１４を同一のアブレーション特性に従ってアブレーション加工するように構成され、アブレーション特性を変更してすべての群の穴１４を再度アブレーション加工してもよい。

【0015】

図４は、冷却穴１４が配置された物品１２の一部を示す。物品１２は、冷却穴１４を有する基板１３から構成される。冷却穴１４は拡散部１９を含んでいてもよい。物品を被覆又は再被覆した後、穴１４及び拡散部１９をボンドコート１７及びトップコート１８が塞いでしまうおそれがある。一例として、ボンドコート１７はＭＣｒＡｌＹ合金であってもよく、トップコートはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）セラミックであってもよい。ボンドコート１７とトップコート１８は共に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を形成する。物品が適切に機能できるようにするため、穴１４及び拡散部１９から、残留物又は余分な皮膜の形態のすべての残渣及び障害物を取り除かなくてはならない。

【0016】

図３に戻ると、第１のアブレーションパターンを用いてトップコート１８をアブレーション加工し、第２のアブレーションパターンを用いてトップコート１８の下のボンドコート１７をアブレーション加工してもよい。第２のアブレーションパターンは、第１のアブレーションパターンと異なっていてもよい。例えば、第２のアブレーションパターンは、各列の左から右に順に穴１４ａをアブレーション加工し、すべての穴１４ａのアブレーション加工が完了したら、レーザーで各列の穴１４ｂをアブレーション加工する。こうした穴の「スキップ」によって、次のアブレーションパスの前に局所的基板及び穴領域を冷却することができる。こうして、基板に対する不要な熱損傷が最小限に抑えられる。追加の例として、第１のアブレーションパターンで用いるレーザー出力は、基板１３に悪影響を与えずに近傍の穴をアブレーション加工できるように、低くしてもよい。第２のアブレーションパターンで用いるレーザー出力を高めてもよいが、基板の損傷を避けるための十分な冷却時間を確保するために、アブレーション加工される各穴は、以前にアブレーション加工された穴から離間していなければならない。

【0017】

レーザーアブレーション特性は、アブレーション加工すべき特定の領域に基づいて変更してもよい。例えば、第１のレーザーアブレーション特性を穴１４（図４参照）の領域のアブレーション加工に使用し、第２のレーザーアブレーション特性を拡散部１９上の領域のアブレーション加工に使用してもよい。一例にすぎないが、第１のレーザーパルス幅を穴１４上の領域のアブレーション加工に使用し、第２のレーザーパルス幅（第１のパルス幅とは異なる）を拡散部１９のアブレーション加工に使用してもよい。特定のレーザー特性は、基板１３及び近くの皮膜１７及び１８への熱損傷を低減するために選択される。

【0018】

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、レーザー特性は、レーザーパルス幅３０（又はパルス幅）、レーザー周波数、レーザーパルスピークパワー、波長、平均レーザー出力、レーザービーム品質、繰返し率、パルスエネルギー、出力ピークパワー、レーザースポットサイズ、エネルギー密度及び焦点距離のようなレーザー動作パラメータを含む。幾つかの実施形態では、例えば、レーザー動作パラメータの例は、約２５Ｗ～約２５０Ｗの平均レーザー出力、３未満又は１～３又は１～２のレーザービーム品質（Ｍ^２）、約１０ｋＨｚ～約１０ＭＨｚの繰返し率、約０．０５ｍｍ～約０．５ｍｍのレーザースポットサイズ、約１５ピコ秒未満のパルス幅／長の１以上である。レーザースポットサイズは、焦点面でのレーザービームの最小直径として定義される。制御システム２４は、残存材料及び基板１３を保護しながら、物品１０からの余分な材料の除去を最大限にするため、レーザーアブレーション特性を制御することができる。レーザー２２は、オン構成３２で高いピークパワーの短いレーザーパルス幅３０を送るように構成され、第１の加工帯域及び第２の加工帯域をアブレーション加工するステップは、レーザーがオフ構成３４にある時間を最小限にする。「短い」という用語は、フェムト秒又はピコ秒域にあるレーザーパルスとして定義される。レーザー２２がオフ構成３４にある時間を最小限にすると、物品１０のスループットが格段に向上し、迅速で効率的な残渣／障害物の除去がもたらされる。

【0019】

幾つかの実施形態では、制御システム２４は、物品１０への損傷を最小限にするために、物品１０の材料熱容量を評価するように構成された冷却穴特性を確立する。冷却穴特性としては、穴１４の寸法、物品１０の材料の熱応答、所望の冷却穴１４の全体的な３次元形状、セラミック充填、金属充填、及び／又は仕上げ、部分アブレーション及び完全に被覆された穴を含む冷却穴の熱特性が挙げられる。また、制御システム２４は、レーザー２２に起因する損傷を最小限にするために、物品１０の外面１２に追加された表面皮膜及び／又は基板の材料特性を評価してもよい。物品１０への損傷を防止するために特性を変化させる制御システム２４の一例は、アブレーションパターンが、一群の穴の第１の穴１４を熱閾値までアブレーション加工し、次いで第１の穴１４の冷却中に一群の穴の第２の穴１４をアブレーション加工するように指令するときである。幾つかの実施形態では、複数の異なる群から材料を一度に効率的に除去し、物品１０への熱的影響を最小限にするために、各群から特定の穴１４を標的とする。換言すると、図３を具体的に参照すると、一実施形態では、制御システム２４は、複数の（及び異なる）アブレーションパターンを用いて、穴をアブレーション加工する。例えば、第１のアブレーションパターンで、群１６ａの順次隣接する穴をアブレーション加工し、次いで第２の群１６ｂの行にスキップする。第２のアブレーションパターンは、第１のアブレーションパターンの完了後に使用してもよく、第２のアブレーションパターンは、基板１３への不都合な熱影響を最小限にするために、１つおきに穴をアブレーション加工するか、或いは穴アブレーション加工の間に２、３又は４つの穴をスキップしてもよい。

【0020】

物品１０での一連の穴１４の修復のためのレーザーアブレーションの方法６００の例示的な実施形態を図６の流れ図に示す。図１～図５を参照すると、方法６００は、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性及び／又は同期機械運動特性を確立するステップ６０２、物品１０の第１の加工帯域及び第２の加工帯域に対して確立された特性に基づいて、レーザーのためのレーザー経路計画（例えばアブレーションパターン）を作成するステップ６０４、レーザー２２から照射されるレーザービームの位置及び／又は物品１０の位置を相対的に制御するための同期ルーチンを実行するステップ６０６、第１の加工帯域をアブレーション加工するステップ６０８及び／又は第２の加工帯域をアブレーション加工するステップ６１０を含む。なお、第１の加工帯域及び第２の加工帯域をアブレーション加工するステップ６０８，６１０は、連続作業であってもよい。換言すると、レーザー２２は連続的な周波数でパルス発振するが、２以上の加工帯域で連続して作用する。第１の加工帯域及び第２の加工帯域は、各々、１個の穴１４にあってもよく、２つの別個の穴１４であってもよく、穴１４とそれに不随する拡散部１９であってもよく、或いは各々すべての群の穴１４を含んでいてもよく、或いは上述の通り、異なる行又は列の一群の穴であってもよい。アブレーション加工を連続的に実施することで、アセンブリ内の開始動作と停止動作がなくなるが、開始動作と停止動作はアセンブリの部品が最も摩耗を蓄積する期間である。

【0021】

方法６００は、適宜、物品１０及び／又はレーザー２２を初期位置から後続位置へ及びその逆に移動するステップ６１２、及び物品１０のアブレーション加工ステップ６０８，６１０及び移動ステップ６１２を繰り返すステップを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、方法は、１以上の加工帯域をアブレーション加工するステップ６０８，６１０で、レーザー２２及び／又は物品１０を移動させることを含む。確立されたアブレーション特性は、上述の通り、制御システム２４によって変更することができ、方法６００は、レーザー２２の移動を必要とせずに、変更されたアブレーション特性に従ってレーザー経路計画６０４を作成する。例えば、ステップ６０４で、第１のアブレーションパターンを使用してもよく、ステップ６０６～６１０、６１４に方法を進め、次いでステップ６１４で第２のアブレーションパターン（第１のアブレーションパターンとは異なる）を選択した後、第２のアブレーションパターンをステップ６０４～６１０で又はステップ６１０だけで使用する。レーザーアブレーション特性は、ステップ６０８とステップ６１０の間で変更してもよく、第１の加工帯域のアブレーション加工の際に第１のレーザーアブレーション特性を使用し、第２の加工帯域のアブレーション加工の際に異なる第２のレーザーアブレーション特性を使用する。

【0022】

レーザー経路計画は、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性並びに第１の加工帯域及び少なくとも１つの第２の加工帯域に関する物品１０に対する同期機械運動特性の関数である。レーザー経路計画は、多数の後続の加工帯域と多数の後続の位置に適合する。レーザー経路計画は、レーザー２２の動作のための適切又は効率的な時間スケールを決定するために、レーザー２２の能力を評価してもよい。

【0023】

方法６００は、限定されるものではないが、レーザー２２及び／又は物品１０の線形及び回転加速度、レーザー２２及び／又は物品１０の線形及び回転速度、再現性及び精度、並びに加工帯域及び有効加工帯域に関する追加の特性（例えばレーザー入力、視野、最小及び／又は最大加工距離、最小及び／又は最大有効加工距離、スポットサイズのばらつき、エネルギー効率）を始めとする特性を考慮することによって、レーザー及び／又は物品１０の相対的な運動を同期させる。同期機械運動特性は、限定されるものではないが、レーザー２２及び／又は物品１０の全体的及び局所的な位置同期、加速及び／又は減速通知の形態の運動及びレーザーデータを含んでおり、物品及び／又はレーザーの運動に対する制御システムの待ち時間を含む。方法６００は、穴１４及び／又は拡散部１９から残渣又は障害物を効率的に除去するため、レーザー２２と物品１０の間の動的な関係を考慮に入れる。同期機械運動特性は、レジストレーション穴の又は他の装置のゼロイングを必要とせずに、レーザー２２及び物品１０の位置の追跡及び監視を可能にする。ただし、方法６００の実施中及び／又は完了後に、レジストレーション穴又はレーザー２２のゼロイングを組み込むことは、本願で開示する発明から逸脱しない。

【0024】

幾つかの実施形態では、レーザー経路計画を作成するステップ６０４は、基板に対する熱損傷の低減によって、非至適加工帯域でのアブレーションが可能となるように、低熱伝導率帯域での冷却穴１４のアブレーションを目標とする。レーザー経路計画６０４を作成するステップ６０４は、冷却穴の内外への移行部を滑らかにするため、冷却穴の端が不規則な箇所のアブレーションを目標としてもよい。幾つかの実施形態では、レーザー経路計画は、既知のデータ領域及び困難なアブレーション帯域及び層を標的とし、それらの領域、帯域及び／又は層はレーザー送達システム２０のピーク有効アブレーション帯域にある。幾つかの実施形態では、レーザー経路計画を作成するステップは、物品１０の移動時に物品１０を横断して移動する加工帯域に関して最適化されたレーザー経路を確立する。レーザー経路計画は、レーザー２２で各穴１４をアブレーション加工しているときに生じる残渣雲を考慮してもよく、物品１０への損傷を低減又は解消するために残渣雲を最小限又は制御してもよい。

【0025】

レーザー経路計画は、あるアブレーション効率を生成させるためプラズマが形成される時間よりも短い時間スケールで動作させることができる。このアブレーション効率は、アブレーション閾値の上下で評価及び維持できる。幾つかの実施形態では、レーザー経路計画は、フェムト秒又はピコ秒時間領域の時間スケールで動作する。フェムト秒時間領域は１フェムト秒～１０００フェムト秒と定義される。ピコ秒時間領域は１ピコ秒～１０００ピコ秒として定義される。ナノ秒時間領域は１ナノ秒～１０００ナノ秒として定義される。マイクロ秒時間領域は１マイクロ秒～１０００マイクロ秒として定義される。

【0026】

図７は、制御システム２４の例示的な実施形態によりコンピュータシステム７００の例を示す。本願に記載のコンピューティングシステム７００は、様々な部品を含んでおり、レーザー２２の制御システム２４に関して以下で説明するコンピューティングシステム７００の１以上のコンピューティングデバイス７０２と共に様々な機能を実行することができる。

【0027】

図７に示すように、コンピューティングシステム７００は、１以上のコンピューティングデバイス７０２を含むことができる。１以上のコンピューティングデバイス７０２は、１以上のプロセッサ７０４及び１以上のメモリデバイス７０６を含むことができる。１以上のプロセッサ７０４は、適切な処理デバイス、例えばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、集積回路、論理デバイス及び／又は他の適切な処理デバイスを含むことができる。１以上のメモリデバイス７０６は、限定されるものではないが、非一時的なコンピュータ可読メディア、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードドライブ、フラッシュドライブ及び／又は他のメモリデバイスを始めとする、１以上のコンピュータ可読メディアを含むことができる。

【0028】

１以上のメモリデバイス７０６は、１以上のプロセッサ７０４によって実行し得るコンピュータ可読命令７０８を始めとして、１以上のプロセッサ７０４によってアクセス可能な情報を記憶することができる。命令７０８は、１以上のプロセッサ７０４によって実行されると、１以上のプロセッサ７０４に、動作（例えば本願に記載の動作）を実行させる一組の命令とすることができる。例えば、本願で提供する方法は、コンピューティングシステム７００によって全体的又は部分的に実行し得る。命令７０８は、任意の適切なプログラミング言語で記載されたソフトウェアであってもよいし、ハードウェアに実装することもできる。付加的及び／又は代替的に、命令７０８は、１以上のプロセッサ上の論理的及び／又は仮想的に分離されたスレッドで実行することができる。１以上のメモリデバイス７０６は、１以上のプロセッサ７０４によってアクセス可能なデータ７１０をさらに記憶することができる。例えば、データ７１０としては、モデル、データベース、機械運動同期データなどを挙げることができる。

【0029】

コンピューティングデバイス７０２は、例えば、レーザーシステム２０の他の部品との（例えばネットワークを介した）通信に使用されるネットワーク（又は通信）インターフェース７１２を含んでいてもよい。ネットワークインターフェース７１２は、例えば、送信器、受信器、ポート、アンテナ及び／又は他の適切な部品を始めとして、１以上のネットワークとインターフェースするための任意の適切な部品を含むことができる。

【0030】

ここで説明する技術は、コンピュータベースシステム、並びにコンピュータベースシステムによって実行されるアクション及びコンピュータベースシステムとの間で送受信される情報を参照する。当業者には明らかであろうが、コンピュータベースシステムに固有の柔軟性によって、コンポーネント間でのタスク及び機能の多種多様な可能な構成、組合せ及び分割が可能となる。例えば、本願に記載のプロセスは、単一のコンピューティングデバイス又は協働して動作する複数のコンピューティングデバイスを用いて実施することができる。データベース、メモリ、命令及びアプリケーションは、単一のシステムに実装することもできるし、複数のシステムに分散させることもできる。分散コンポーネントは直接に又は並列に動作できる。

【0031】

図８は、一実施形態に従って機械の運動を同期させるのに使用されるシステム８００を示す。アブレーションすべき物品１０にレーザー２２が照射される。ガルバノスキャナーミラー８２０で、レーザービーム８３０を所望のパターンで又は物品１０上の所望の位置に移動させる。ガルバノスキャナーミラーは、スキャナーコントローラ８１０によって制御される。レーザー２２は、コンピューティングシステム７００からオン／オフ信号を受信するコリメータレンズ及び拡散板のようなビーム整形光学系を含んでいてもよい。カメラ８４０は、ビームスプリッター８５０を介して視野８４２内の物品１０の画像を検出する。このカメラは、独立した画像取得及び画像転送が行えるインターラインセンサー、ＣＣＤ又はＣＭＯＳチップで画像を取得する。ただし、通常のビデオカメラ又はハイスピードカメラのような他の種類のカメラも使用できる。画像取得の開始は、コンピューティングシステム７００内の同期制御ルーチンによって制御される。画像取得後、画像はトラッキングシステム８６０に転送され、トラッキングシステム８６０は、物品１０上の目標加工帯域を決定する。次いで、アブレーションレーザービーム８３０を物品１０上の所期の位置に導くためにスキャナーミラー８２０を移動させる角度へと変換された測定座標（ｘ／ｙ／ｚ）がスキャナーコントローラ８１０に供給される。同期制御ルーチンからの同期信号の受信後、レーザはアブレーションレーザーパルスを物品１０に当てる。画像取得、画像処理、レーザー位置制御及びレーザー発振のタイミング関係は、同期機械運動特性を得るためのコンピュータシステム７００内の同期制御ルーチンによって制御される。トラッキングシステム８６０は、アブレーションプロセス中に物品１０が移動したとしても、処理中の視野及び標的群の穴を追跡する。例えば、物品１０をアブレーション中に移動又は回転させてもよく、物品１０上の全ての所望の穴又は加工帯域についてアブレーションプロセスを中断せずに進行できる。或いは、レーザー２２をアブレーションプロセス中に移動させてもよいし、或いはレーザーと物品の両方をアブレーションプロセス中に移動させてもよく、トラッキングシステムは、レーザーが常にアブレーションの正確な穴を標的とするように担保する。

【0032】

本願で開示した例示的な実施形態についての説明は、要約書に記載したものを含めて、開示された実施形態を開示された正確な形態に限定するものでも、網羅的なものでもなければ、開示した実施形態を開示した形態のままに限定するものでもない。例示のため特定の実施形態及び実施例を記載してきたが、当業者には、様々な修正が可能であって、かかる実施形態及び実施例の範囲内とみなされることが明らかであろう。例えば、様々な実施形態における部品、構成要素、ステップ及び態様を組合せて、本明細書及び図面に記載されていない別の実施形態で用いるのに適したものとすることができる。このように、本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱せずに、上述の発明に変更を加えることができることから、本願明細書及び図面に記載された技術的内容はすべて本発明の思想を例示するための例にすぎず、本発明を限定するものではない。

【0033】

この観点から、本願で開示する技術的内容について、様々な実施形態及び適用できる場合には対応する図面に関連して説明してきたが、他の同様の実施形態を用いることもできるし、開示した技術的内容から逸脱せずに同一の、類似の、代替的又は置換的機能を果たすために、記載された実施形態に修正及び追加を加えることができる。したがって、本願で開示する技術的内容は、本明細書に記載したいかなる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲及び技術的範囲で解釈すべきである。例えば、本発明の「一実施形態」という場合、記載された特徴を備える追加の実施形態の存在を除外するものとして解釈すべきではない。

【0034】

特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、「第３」、「上」、「下」、「底部」及び「頂部」のような用語は符号にすぎず、その目的物に数的又は位置的要件を課すものではない。「実質的」、「概略」及び「約」という用語は、部品又はアセンブリの機能目的を達成するのに適した理想的な所望条件に対して、合理的に達成できる製造及び組立て公差内にある条件を示す。さらに、特許請求の範囲の限定は、機能的記載では記載されておらず、特許請求の範囲の限定が構造についての記載を伴わずに機能に関する記載に続いて「手段」という用語を明示的に用いていない限り、そのように解釈すべきではない。

【0035】

以上の記載は、本願で開示する技術的内容の例示的なシステム及び方法の具体例を包含する。いうまでもなく、本願で構成成分又は方法のすべての組合せを説明しつくすことはできない。当業者には明らかであろうが、特許請求の範囲に記載されたされた技術的内容について数多くの追加の組合せ及び置換が可能である。さらに、発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び図面において「含む」、「有する」、「もつ」などの用語が用いられている場合、これらの用語は、「含む」及び「備える」という用語の解釈と同様に内包的なものである。換言すると、別途明示されていない限り、特定の性質を有する１以上の構成要素を「備える」、「含む」又は「有する」実施形態は、その性質をもたない追加の構成要素を含んでいてもよい。本明細書及び図面で用いられる不定冠詞は、別途記載されているか前後関係から単数形を示していることが明らかでない限り、「１以上」を意味する。

【0036】

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、当業者が本発明を実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲と文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と非本質的な差しかない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

【0037】

本発明の追加の態様を、以下の実施態様項に示す。
［実施態様１］
物品の１以上の穴のレーザーアブレーションの方法であって、当該方法が、アブレーション特性を確立するステップであって、アブレーション特性が、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性及び同期機械運動特性の少なくとも１つである、ステップと、物品の第１の加工帯域及び第２の加工帯域について確立されたアブレーション特性に基づいて、レーザービームのレーザー経路計画を作成するステップと、第１のアブレーション特性で第１の加工帯域をアブレーション加工し、しかる後、第１のアブレーション特性とは異なる第２のアブレーション特性で第２の加工帯域をアブレーション加工するステップとを含む方法。
［実施態様２］
レーザー特性が、レーザーパルス幅又はパルス持続時間、レーザー周波数、レーザーパルスピークパワー、波長、平均レーザー出力、レーザービーム品質、繰返し率、パルスエネルギー、レーザースポットサイズ及び焦点距離のうちの少なくとも１つである、実施態様項１に記載の方法。
［実施態様３］
レーザーパルス幅が、ピコ秒域又は１ピコ秒～１０００ピコ秒の範囲内にある、実施態様項１又は実施態様項２に記載の方法。
［実施態様４］
レーザーパルス幅が、１ピコ秒～１５ピコ秒の範囲内にある、実施態様項１乃至実施態様項３のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様５］
第１のレーザー特性の第１のレーザーパルス幅がピコ秒域であり、第２のレーザー特性の第２のレーザーパルス幅がナノ秒域又はマイクロ秒域にある、実施態様項１乃至実施態様項４のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様６］
レーザーの動作パラメータが、約０．０５ｍｍ～約０．５ｍｍのレーザースポットサイズ直径、１０ｋＨｚ～１０ＭＨｚの繰返し率、１～３のレーザービーム品質（Ｍ^２）の１以上である、実施態様項１乃至実施態様項５のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様７］
平均レーザー出力が２５Ｗ～２５０Ｗの範囲内にある、実施態様項１乃至実施態様項６のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様８］
加工帯域特性が、物品の第１の皮膜層及び第２の皮膜層の少なくとも一方である、実施態様項１乃至実施態様項７のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様９］
第１の皮膜層がトップコートであり、第２の皮膜層がボンドコートである、実施態様項１乃至実施態様項８のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１０］
レーザーに対する物品の移動を必要とせずにレーザー経路計画を変更することをさらに含む、実施態様項１乃至実施態様項９のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１１］
レーザー経路計画が、レーザー特性、加工帯域特性、冷却穴特性並びに第１の加工帯域及び第２の加工帯域の少なくとも一方に対する同期機械運動特性のうちの１以上の関数である、実施態様項１乃至実施態様項１０のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１２］
レーザー経路計画が、第１のアブレーションパターンと第２のアブレーションパターンとから構成され、第１のアブレーションパターンが第２のアブレーションパターンと異なる、実施態様項１乃至実施態様項１１のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１３］
確立ステップ、作成ステップ及びアブレーションステップの完了後、物品及びレーザーの少なくとも一方を移動させて、確立ステップ、作成ステップ及びアブレーションステップを繰り返す、実施態様項１乃至実施態様項１２のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１４］
冷却穴特性が、穴の寸法、物品の材料の熱応答、所望の冷却穴の全体的な３次元形状、拡散部の形状、セラミック充填、金属充填、及び仕上げ、部分アブレーション及び完全に被覆された穴を含む冷却穴の熱特性のうちの少なくとも１つを含む、実施態様項１乃至実施態様項１３のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１５］
同期機械運動特性が、線形及び回転加速度、線形及び回転速度、並びに視野のうちの少なくとも一方を含む、実施態様項１乃至実施態様項１４のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１６］
レーザー経路計画が、物品の１以上の穴又は基板への有害な熱影響を最小化又は低減する、実施態様項１乃至実施態様項１５のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１７］
レーザー特性が、レーザー光によって生成したアブレーション生成物に起因するレーザー光減衰を最小化又は低減する、実施態様項１乃至実施態様項１６のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１８］
レーザー経路計画を作成するステップが、第１のアブレーションパターン及び第２のアブレーションパターンを確立し、第１のアブレーションパターンが第２のアブレーションパターンと異なる、実施態様項１乃至実施態様項１７のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様１９］
第１の加工帯域から第２の加工帯域に移行するときに、レーザー及び物品の少なくとも一方を移動させることをさらに含む、実施態様項１乃至実施態様項１８のいずれか１項に記載の方法。
［実施態様２０］
レーザーが、オン構成でレーザービームパルスを送り、かつオフ構成ではレーザービームパルスを送らないように構成され、レーザーがオフ構成にある時間が最小化又は低減するように構成される、実施態様項１乃至実施態様項１９のいずれか１項に記載の方法。

【符号の説明】

【0038】

１０ 物品
１２ 物品の外面
１４ 穴
２０ レーザーアブレーションシステム
２２ レーザー
２４ 制御システム
３０ レーザーパルス幅
３２ オン構成
３４ オフ構成
８１０ スキャナーコントローラ
８２０ ガルバノスキャナーミラー
８３０ レーザービーム
８４０ カメラ
８４２ 視野
８５０ ビームスプリッター
８６０ トラッキングシステム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【外国語明細書】