(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-12
(54)【発明の名称】工作物の材料を除去するレーザ加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/36 20140101AFI20220104BHJP
【ＦＩ】
B23K26/36
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021517639
(86)(22)【出願日】2019-10-09
(85)【翻訳文提出日】2021-03-29
(86)【国際出願番号】 EP2019077284
(87)【国際公開番号】W WO2020078782
(87)【国際公開日】2020-04-23
(31)【優先権主張番号】102018125436.9
(32)【優先日】2018-10-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514076618
【氏名又は名称】フリッツ スチューダー アーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フライ、ブルーノ
(72)【発明者】
【氏名】ドルド、クラウス
(72)【発明者】
【氏名】ワルハネク、マクシミリアン
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD03
4E168CB07
4E168DA45
4E168DA46
4E168DA47
4E168EA15
(57)【要約】
レーザビームインパルス（Ｐ）で工作物（１６）の材料除去レーザ加工をする方法であって、レーザビームインパルス（Ｐ）は、工作物（１６）における除去すべき体積（Ｖ）の表面（３１）の衝撃位置（２７）に向けられ、除去すべき体積（Ｖ）から材料を除去する。除去すべき体積（Ｖ）を除去した結果、工作物（１６）上に新たな輪郭面（２９）が形成される。レーザビームインパルス（Ｐ）の創成すべき輪郭面（２９）に対する衝撃角度（α）は、前記創成すべき輪郭面（２９）に隣接する除去すべき体積（Ｖ）の少なくとも一部を予め定められた条件に従って設定される。条件によっては、衝撃角度（α）は閾値角度（αＳ）と同じかそれよりも小さい。閾値角度（αＳ）は、生成しようとする輪郭面（２９）上のレーザビームインパルス（Ｐ）の衝撃位置（２７）における実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）が閾値フルエンス（ＦＳ）と等しい衝撃角度（α）に対応する。実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）が閾値フルエンス（ＦＳ）より大きい場合、材料は衝撃位置（２７）においてのみ除去される。その結果、所望の輪郭面（２９）に隣接する除去すべき体積（Ｖ）の体積要素のみが除去される。開ループ又は閉ループで衝撃角度（α）を制御することにより、工作物（１６）上に所望の輪郭面（２９）を極めて高精度に形成できる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザビームインパルス（Ｐ）を生成するレーザ（１７）と、工作物（１６）上に前記レーザ（１７）のレーザビームインパルス（Ｐ）を向けるレーザヘッド（１８）と、前記工作物（１６）及び前記レーザヘッド（１８）を少なくとも１つの平行移動及び／又は回転自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ＤＸ、ＤＹ、ＤＺ）で相対的に位置決め及び／又は移動させるように構成された少なくとも１つの機械軸（２４）を含む機械軸配置（２３）と、を有するレーザ加工機（１５）の使用下に前記工作物（１６）を材料除去レーザ加工する方法であって、前記工作物（１６）の除去すべき体積（Ｖ）の表面（３１）上にレーザヘッド（１８）によって複数のレーザビームインパルス（Ｐ）を放射し、材料が工作物（１６）の除去すべき体積（Ｖ）から除去され、これによって創成すべき輪郭面（２９）を工作物（１６）上に作成する工程と、
創成すべき輪郭面（２９）が除去すべき体積（Ｖ）に隣接する境界位置（３２）における前記創成すべき輪郭面（２９）に対するレーザビームインパルス（Ｐ）の衝撃角度（α）を、衝撃角度（α）が閾値角度（αＳ）と同程度に大きく、かつ少なくとも最小角度（αｍｉｎ）と同程度に調整する工程と、
を含み、ここで、最小角度（αｍｉｎ）は０度より大きく、閾値角度（αＳ）は、工作物（１６）の創成すべき輪郭面（２９）上のレーザビームインパルス（Ｐ）の衝撃位置（２７）における実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）が閾値フルエンス（ＦＳ）に一致する衝撃角度（α）の大きさに等しく、閾値フルエンス（ＦＳ）よりも大きい実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）によって衝撃位置（２７）での材料除去が実施されるが、閾値フルエンス（ＦＳ）より小さい実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）によっては衝撃位置（２７）での物質除去は実施されない、
方法。
【請求項2】
前記衝撃角度（α）は、前記創成すべき輪郭面（２９）の境界位置（３２）における接線（Ｔ）と、レーザビームインパルス（Ｐ）の中心軸（Ｍ）及び／又はレーザヘッド（１８）の光軸（Ａ）との間の角度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記レーザビームインパルス（Ｐ）の衝撃角度（α）は、前記創成すべき輪郭面（２９）に対して、前記境界位置（３２）において、前記閾値角度（αＳ）に等しくなるように調整されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記衝撃角度（α）の調整は、工作物（１６）及びレーザヘッド（１８）を互いに位置決め及び／又は方向付けすることによって実行されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
前記レーザビームインパルス（Ｐ）の実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）は、前記工作物によって吸収された前記レーザビームインパルス（Ｐ）のパルスエネルギーを前記レーザビームインパルス（Ｐ）の断面積で除した商として定義され、前記実効レーザエネルギー密度（Ｅｅｆｆ）は、前記工作物（１６）のレーザ加工中は常に前記閾値フルエンス（ＦＳ）よりも大きいことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の方法。
【請求項6】
前記レーザビームインパルス（Ｐ）は、パルス領域（２８）内に配置された衝撃位置（２７）に向けられることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の方法。
【請求項7】
前記パルス領域（２８）の大きさ及び形状、及び／又は前記パルス領域（２８）内の前記衝撃位置（２７）の位置は、作成される工作物（１６）及び／又は輪郭面（２９）の１つ以上のパラメータに応じて規定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記レーザビームインパルス（Ｐ）は、前記パルス領域（２８）内の前記衝撃位置（２７）に予め定義された順序で前記レーザヘッド（１８）から放射されることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
【請求項9】
前記パルス領域（２８）の外側輪郭は、前記レーザヘッド（１８）に対する前記工作物（１６）の実際の相対位置及び／又は相対方向に応じて変化することを特徴とする請求項６～８の何れか１項に記載の方法。
【請求項10】
前記レーザビームインパルス（Ｐ）のインパルス持続時間は、ナノ秒、ピコ秒又はフェムト秒の範囲内であることを特徴とする請求項１～９の何れか１項の方法。
【請求項11】
前記工作物（１６）からなる工具の製造時に用いられることを特徴とする請求項１～１０の何れか１項に記載の方法。
【請求項12】
創成すべき輪郭面（２９）は、刃先（３０）に隣接するすくい面又は逃げ面であることを特徴とする請求項１～１１の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、工作物の材料を除去するレーザ加工方法について言及する。材料の除去により、工作物に新しい輪郭面を作成するものとする。
【背景技術】
【0002】
このような方法は、例えば特許文献１から既知である。工作物の機械加工のために回転工具が製造される。偏向装置即ちレーザスキャナにより、レーザのレーザビームインパルスは、工作物上の衝撃位置におけるパルス経路に沿って方向付けられる。この方向付けに重ね合わせてレーザヘッドと工作物との間の相対的な移動が生じる。この重ね合わされた動きによって材料を層状に除去することができ、輪郭面を露出させることができる。
【0003】
特許文献２には、棒状の工作物上に輪郭面を創成する方法が記載されている。特に回転工具は本方法で製作される。この場合、例えば、材料をレーザによって除去して溝を創成することにより、ロッド状の工作物に溝を導入することができる。レーザによる材料の除去においては、レーザビームインパルスは、溝表面に対して接線方向に配向され、したがって、ロッド状の工作物の長手方向軸に対して実質的に放射状に配向された表面セクションに衝撃を与えて、そこの材料を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】ＤＥ １０ ２０１０ ０１１ ５０８ Ａ１
【特許文献2】ＷＯ ２０１６／００５１３３ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
創成すべき輪郭面に対して接線方向にレーザビームインパルスを方向付けることは、証明された方法である。本発明は、高精度の輪郭面の高効率な創成を達成するために、方法を改善するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法によって解決される。
【0007】
本発明の方法においては、工作物から材料を除去し、ひいては工作物上に輪郭面を創成するために、レーザ加工機を使用する。工作物は任意の形状を有していてよい。創成すべき輪郭面は、完全に又は部分的に平面内で延在してよい。創成すべき輪郭面は、全長に亘って又は一部の区間において凹状又は凸状に湾曲していてもよい。
【0008】
レーザ加工機は、レーザビームインパルスを生成するように構成されている。レーザによって作られたレーザビームインパルスは、レーザヘッドによって工作物上に向けられる。レーザヘッドは、例えば、工作物の表面上の衝撃位置にレーザビームインパルスを向けるために偏向装置又はスキャナを含んでよい。レーザ加工機の機械軸配置は、少なくとも１つの平行移動自由度及び／又は回転自由度において、工作物及びレーザヘッドを互いに対して位置決め及び／又は方向付けるように構成される。
【0009】
本方法では、作成されたレーザビームインパルスは、レーザヘッドによって除去されるべき工作物の体積の表面上に向けられる。これにより、除去すべき体積から材料が除去され、創成すべき輪郭面が除去すべき体積に直接隣接してビット毎に形成される。除去すべき体積が完全に除去されると直ちに輪郭面が創成される。輪郭面は、除去すべき体積の除去によって謂わば露出される。
【0010】
材料の除去の間、レーザビームインパルスの衝撃角度は、少なくとも創成すべき輪郭面に直接隣接する除去すべき体積の部分について、予め定義された条件に従って調整される。この条件によれば、衝撃角度は最大で閾値角度と同じ大きさであり、少なくとも所定の最小角度と同じ大きさである。最小角度は０度より大きい。また、前記閾値角度と前記最小角度との差分の大きさは、特に前記最小角度の大きさよりも小さいことが好ましい。前記衝撃角度は、前記閾値角度と等しくなるように開ループ又は閉ループ制御されることが好ましい。
【0011】
衝撃角度は、レーザヘッドの光軸に対応し得るレーザビームインパルスの中心軸と、創成すべき輪郭面との間で測定される。衝撃角度は、創成すべき輪郭面上のレーザビームインパルスの衝突点における表面法線と、レーザビームインパルスの中心軸とによって定義される、レーザビームインパルスの入射角に対する余角である。創成すべき輪郭面が除去すべき体積の表面に直接隣接する境界位置で湾曲している場合、衝撃角度は、創成すべき輪郭面の境界位置に配置された接線とレーザビームインパルスの主軸との間で定義される。それにより、輪郭面上に配置された接線は、創成すべき輪郭面に直交して延びるレーザビームインパルスの主軸に対して境界位置において半径平面内に延びる。
【0012】
これにより、閾値角度は、閾値フルエンスに対応する除去される体積の隣接部分に直接隣接して創成すべき輪郭面上の衝撃位置におけるレーザビームインパルスの有効レーザエネルギー密度を有する衝撃角度の大きさとして定義される。有効レーザエネルギー密度は、加工される材料に結合され得るレーザエネルギー密度の百分率に対応する。閾値フルエンスは、有効レーザエネルギー密度に対する閾値を形成する。有効レーザエネルギー密度が閾値フルエンスより大きい場合、材料は創成すべき輪郭面での衝撃位置で除去される。有効レーザエネルギー密度が閾値フルエンスより小さければ、輪郭面での衝撃位置で材料の除去は起こらない。
【0013】
有効レーザエネルギー密度は、照射表面によって吸収された放射レーザビームインパルスのパルスエネルギーを、輪郭面の衝撃位置でレーザビームインパルスによって照射された表面の面積で除した値として定義される。衝撃位置での有効レーザエネルギー密度は閾値角度での閾値フルエンスに等しい。
【0014】
衝撃角度が最大でも閾値角度と等しくなるようにレーザビームインパルスを誘導することによって、除去される体積に隣接して創成すべき輪郭面の隣接部分にレーザビームインパルスが衝突しても材料の除去は生じない。したがって、除去すべき体積の実際の表面又は最上層に直接隣接する境界位置で創成すべき輪郭面の所望の幾何学的形状を、実際の衝撃角度の決定のためのパラメータとして使用することができる。レーザビームインパルスが、創成すべき又は既に創成された輪郭面上で除去すべき体積の表面に隣接して衝突した場合、望ましくない材料の除去はそこでは生じない。創成すべき又は創成された輪郭面を選択された衝撃角度で除去するには、有効レーザエネルギー密度は不十分であるから、所望の幾何学形状からの逸脱は生じない。しかしながら、レーザビームインパルスはより大きな衝撃角度を含み、従って十分に大きなレーザエネルギー密度を含むから、前記レーザビームインパルスが輪郭面の所望の幾何学的形状から離れて延びる除去されなければならない体積の体積要素に衝突すれば、そのような体積要素は除去される。
【0015】
もし、このような体積要素に衝突するならば、衝撃角度が閾値角度以下の角度で導かれるならば、謂わば、レーザビームインパルスが創成すべき輪郭面の所定の所望の幾何学形状を作り出す自己調節方法が創出される。衝撃角度は決して閾値角度を超えることがないため、所定の体積よりも多くの体積が除去されることはない。このことは、創成すべき輪郭面の所望の幾何学的形状における修復不可能な欠陥をもたらすことになる。
【0016】
創成すべき輪郭面が平面内に広がる場合、創成すべき輪郭面に隣接する材料の除去中の閾値角度又は衝撃角度は常に同じ大きさになる。創成すべき輪郭面が湾曲している場合、上述のように、創成すべき輪郭面が除去すべき体積の表面において遷移する輪郭面の境界上に接線を配置し、創成すべき輪郭面の境界でこの実際の加工点で衝撃角度を決定して調整する。したがって、衝撃角度は、除去すべき体積の実際の表面から距離を置いて配置された輪郭面上の他の位置に対する閾値角度よりも大きくすることもできる。材料が除去される体積から実際に除去される層に隣接する、創成すべき輪郭面の実際の境界位置における衝撃角度は、本発明の方法にとって重要である。
【0017】
好ましくは、衝撃角度の調整は、工作物及びレーザヘッドを互いに対して位置決め及び／又は方向付けることによって行うことができる。機械軸配置は、この目的のために使用することができる。
【0018】
更に、ある焦点領域内のレーザビームインパルスのレーザエネルギー密度が、レーザ加工中の閾値フルエンスより常に大きいことが好ましい。それにより、レーザエネルギー密度は、焦点領域内のレーザビームインパルスの中心軸に直交する断面積を通って分割されたレーザビームインパルスのパルスエネルギーとして定義される。工作物の機械加工中のレーザビームインパルスのパルスエネルギーの変動は必要ない。衝撃角度の調整により、除去されるボリュームで材料が除去され、同時に作成される輪郭に対応する材料が維持される。
【0019】
レーザビームインパルスの焦点領域は、焦点における最小断面に対してレーザビームの断面が２倍になる領域として定義される。
【0020】
好ましくは、レーザビームインパルスは、制御装置によって規定されるパルス領域内に配置される衝撃位置に向けられる。パルス領域は、任意の輪郭を有してよく、例えば、少なくとも一部分が多角形及び／又は湾曲形状であり得る。パルス領域の大きさと輪郭は、処理タスクに適応させることができる。パルス領域内では、引き続くレーザビームインパルスは、それぞれ規定された衝撃位置に向けられる。レーザヘッドは、恰もパルス領域が除去すべき体積の表面に沿って移動するように、機械軸によって工作物に対して相対移動させることができる。レーザビームインパルスが、衝撃位置から衝撃位置までパルス領域内を移動する速度は、レーザ加工中に機械軸配置によって調整される調整速度よりも、少なくとも係数にして約１０又は２０高い。このように、パルス領域は、パルス領域に対応する輪郭を有し、機械軸によって表面に沿って移動される仮想ツールとみなすことができる。パルス領域は、衝撃位置がパルス領域内の２つの空間方向に分布するように、２次元であることが好ましい。
【0021】
このようなパルス領域の大きさ及び形状、及び／又はパルス領域内の衝撃位置は、工作物及び／又は創成すべき輪郭面の１つ以上のパラメータに依存して規定することができる。例えば、工作物の材質、工作物の形状又は創成すべき輪郭面、創成すべき輪郭面の所望の所定の粗さ等をパラメータとして用いることができる。
【0022】
本方法の実施形態では、パルス領域内の衝撃位置の外側輪郭及び／又はシーケンス又は位置が、レーザヘッドに対する工作物の実際の相対位置及び／又は相対的な向きに応じて変化する場合、有利である。そうすることにより、パルス領域内のパルス領域及び材料の除去を、創成すべき輪郭面又は工作物の幾何学形状に適合させることができる。このような変形又は適応は、段階的又は連続的に行うことができる。この変形又は適応は、機械軸の動きに同期又は非同期に制御できる。
【0023】
レーザビームインパルスのインパルス持続時間は、ナノ秒、ピコ秒又はフェムト秒の範囲とすることができる。
【0024】
本方法は、好ましくは、工作物から作られるツールの作成に使用される。特に、創成すべき輪郭面は、刃先に隣接してよく、例えば、すくい面又は逃げ面を形成し得る。
【0025】
本方法の有利な実施形態は、従属クレーム、明細書及び図面から導出される。以下の好ましい実施形態において、本方法は、添付図面に基づいて詳細に説明される。図面は以下のものを示す。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
図１は、本発明に係る工作物１６の材料の除去レーザ加工の方法を実行するように構成されたレーザ加工機１５の斜視基本図を示す。工作物１６は、任意の外形を有してよく、図１及び図２による実施形態では筒状であり、好ましくは円筒状である。また、板状、立方体状又は任意の他の形状及び輪郭の工作物１６を機械加工することができる。
【0028】
レーザ加工機１５は、パルスレーザビームを発生させてレーザビームインパルスＰを発生させるパルスレーザ１７を有しており、このパルスレーザビームは、レーザ１７からレーザヘッド１８に伝送される。レーザヘッド１８は、その光軸Ａに対してレーザビームインパルスＰを所定の向きで放射し、それらを焦点領域ＦＢに集束させるように構成されている。工作物１６の機械加工中に、実際に機械加工される工作物１６の体積Ｖの層、すなわち材料の除去位置又は材料の除去層が、焦点領域ＦＢ内に配置される。
【0029】
レーザヘッド１８は、光学レンズ等の集束手段を有してよい。これにより、レーザビームインパルスＰは発散角を得て、焦点領域ＦＢに集束される。遠視野における発散角は、焦点領域ＦＢにおけるレーザヘッド１８の集光手段から焦点領域内の焦点までのレーザビームインパルスの開口角である。
【0030】
さらに、レーザヘッド１８は、レーザスキャナとしても記述できる偏向装置を有する。偏向装置は、１つ又は複数の可動偏向ミラーを備えてよく、発光方向、すなわち、光軸Ａに対するレーザビームインパルスＰの中心軸Ｍの向きを調整するように構成することができる。
【0031】
レーザ加工機１５の制御装置１９は、レーザ１７（レーザビームインパルスＰのパルスエネルギー、インパルス持続時間）及びレーザヘッド１８、特にレーザヘッド１８の偏向装置を開ループ又は閉ループ方式で制御するように構成される。
【0032】
レーザ加工機１５は、工作物１６を保持する工作物１６の形状に適合したクランプ装置２２を備える。図１に示す実施形態では、クランプ装置２２は、棒状の工作物１６を一端部においてクランプするように構成されている。ワークの形状に応じて、それぞれ適切なクランプ装置を使用することができる。
【0033】
レーザ加工機１５は、さらに機械軸配置２３を有している。機械軸配置２３は、クランプ装置２２、ひいては工作物１６をレーザヘッド１８に対して移動させ、位置決めし、かつ向きを決めるように構成される。機械軸配置２３は、制御装置１９によって制御される。
【0034】
機械軸配置２３は、少なくとも１つの複数の機械軸２４を有するが、本実施例によると複数の機械軸２４を有し、各機械軸２４は、クランプ装置２２とレーザヘッド１８との間の並進又は回転の自由度における相対的な移動を提供するように構成されている。これにより、機械軸２４は、レーザヘッド１８又はクランプ装置２２を機械の基台又は機械のフレームに対して相対移動させるように構成することができる。並進又は回転の自由度における移動のために機械軸２４の配置及び数は種々変更できる。例えば、回転自由度ＤＸ、ＤＹ、ＤＺと並進自由度Ｘ、Ｙ、Ｚに対して合計６つの機械軸２４を設けることができる。機械軸２４を有する機械軸配置２３は、図１に高度に概略的にのみ示されている。
【0035】
レーザヘッド１８又はその偏向装置は、放射されたレーザビームインパルスＰがパルス領域２８内の衝撃位置２７上に所定のシーケンスで向けられるように、制御装置１９によって制御される。レーザヘッド１８とクランプ装置２２との間の相対的な移動が機械軸配置２３によって作り出されない場合、レーザビームインパルスＰは、工作物表面上のパルス領域２８内の衝撃位置２７に順次向けられるであろう。パルス領域２８の形状及び輪郭は、機械加工タスクに適合され、例えば、創成すべき輪郭面２９の幾何学的形状及び／又は工作物１６の幾何学的形状に基づいて定義及び調整され得る。図３～図５には、パルス領域２８の種々のサイズ及び形状が、簡略化された方法で示されている。パルス領域２８内のいくつかの衝撃位置は、パルス領域２８内のパルス経路Ｂに沿ってそれぞれ高度に概略的に示されている。例えば、衝撃位置２７は、蛇行するパルス経路Ｂ（図３）上に、又は螺旋状に延びるパルス経路Ｂ（図４及び図５）上に配置することができる。パルス領域２８の輪郭及びサイズは、パルス領域２８の円周方向輪郭に隣接する最も外側の衝撃位置の周りの可能な限り最も小さな円周方向輪郭によって得られる。
【0036】
パルス領域２８の円周方向輪郭又は外側形状は、例えば、創成すべき輪郭面２９によって制限される作成される溝の断面形状に対応することができる（図２）。あるいは、パルス領域２８は、除去すべき体積Ｖの面よりも小さくすることもでき、層毎に方法で材料をビット毎に除去するために、除去すべき体積Ｖの表面に沿って機械軸配置２３によって移動させることもできる。
【0037】
図２に示すように、創成すべき輪郭面２９によってチップ溝を限定することができる。創成すべき輪郭面２９は、工作物１６上に作成される他の任意の面であってもよい。ここに記載される実施形態において、創成すべき輪郭面２９は、好ましくは、すくい面又は逃げ面であり得る刃先３０に隣接する面を形成する。
【0038】
この輪郭面２９を製造するために、レーザ加工機１５は、以下に説明するような方法で制御装置１９によって操作される。
【0039】
レーザビームインパルスＰは、除去すべき体積Ｖを除去することによって輪郭面２９を形成するために、レーザ１７及びレーザヘッド１８によって、除去すべき体積Ｖの表面３１上に向けられる。これにより、レーザビームインパルスＰがパルス領域２８内の衝撃位置２７に向けられ、適宜、パルス領域２８が除去すべき体積Ｖの表面３１に沿って移動される。パルス領域２８のサイズはまた、除去すべき体積Ｖの表面３１のそれぞれのサイズに対応し得、層毎の除去の間に表面３１の形状及び寸法が変化する場合、形状及び寸法に適合させることができる。輪郭面２９を生成するために除去すべき体積Ｖのこの除去は、図６及び図７に概略的に示されている。
【0040】
創成すべき輪郭面２９が除去すべき体積Ｖの表面３１に隣接する工作物１６上の１つの位置は、境界位置３２として示される。実際に材料の除去層を作成すべき輪郭面２９のこの境界位置３２に隣接して、除去すべき体積Ｖの表面３１に存在する。境界位置３２で創成すべき輪郭面２９に対するレーザビームインパルスＰの衝撃角度αの調整は重要である。この境界位置３２では、レーザビームインパルスＰの中心軸Ｍと輪郭面２９との間の角度によって衝撃角度αが制御され、開ループ又は閉ループ方式で創成される。一般に、これは、図９の凸曲面である輪郭面２９に対して図示されている。境界位置３２において、接線Ｔが、創成すべき輪郭面２９上に配置される。レーザビームインパルスＰの接線Ｔ及び中心軸Ｍは、中心軸Ｍの共通の半径方向平面内に位置し、ここで、この半径方向平面は、境界位置３２において創成すべき輪郭面２９に直交して配向される。除去すべき体積Ｖの表面３１に対して、中心軸Ｍは、調整された衝撃角度αよりも大きい角度αを有する。衝撃角度αは、以下の条件に従う観測された境界位置３２で創成すべき輪郭面２９の所望の幾何学的形状に応じて調整される。
衝撃角度αは、最大で閾値角度αＳと同じ大きさで、最小で最小角度αｍｉｎと同じ大きさである。最小角度αｍｉｎは０度よりも著しく大きく、好ましくは、閾値角度αＳと最小角度αｍｉｎとの差αＳ －αｍｉｎの大きさは非常に小さい。特に、最小角度αｍｉｎは、少なくとも閾値角度αＳの９５％の大きさを有する。この実施例によれば、最小角度αｍｉｎは閾値角度αＳに等しく、衝撃角度αが閾値角度αＳに等しくなるように定義され調整される（開ループ又は閉ループ制御される）。
衝撃角度αは、最大で閾値角度αＳと同じ大きさで、最小で最小角度αｍｉｎと同じ大きさである。最小角度αｍｉｎは０度よりも著しく大きく、好ましくは、閾値角度αＳと最小角度αｍｉｎとの差αＳ －αｍｉｎの大きさは非常に小さい。特に、最小角度αｍｉｎは、少なくとも閾値角度αＳの９５％の大きさを有する。この実施例によれば、最小角度αｍｉｎは閾値角度αＳに等しく、衝撃角度αが閾値角度αＳに等しくなるように定義され調整される（開ループ又は閉ループ制御される）。
【0041】
閾値角度αＳは、工作物１６の創成すべき輪郭面２９上のレーザビームインパルスＰの衝撃位置２７における実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが閾値フルエンスＦＳに等しくなる衝撃角度αの大きさである。実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆは、衝撃位置２７の照射領域を通して分割された工作物表面によって吸収されたレーザビームインパルスＰのパルスエネルギーによって計算される。実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが閾値フルエンスＦＳより大きい場合、衝撃位置２７で材料が除去される。実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが閾値フルエンスＦＳより小さい場合、衝撃位置２７で材料の除去は行われない。
【0042】
換言すれば、創成すべき輪郭面２９に対する衝撃角度αは、せいぜい閾値角度αＳと同程度の大きさであるか、又は好ましくは閾値角度αＳと同等であることが、創成すべき輪郭面２９の所望の幾何形状上で材料除去が生じることを回避する。材料除去は、実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが閾値フルエンスＦＳより大きい除去すべき体積Ｖのそのような体積要素に対してのみ行われる。これは、創成すべき輪郭面２９の所望の幾何学的形状から斜めに又は横断方向に突出する体積Ｖにおける全ての体積要素についてのケースであり、衝撃角度αは、閾値角度αＳ付近又はこれに等しいためである。制御装置１９は、レーザビームインパルスＰの放射又は中心軸Ｍの向きを制御し、除去すべき体積Ｖの材料除去が、創成すべき輪郭面２９の所望の幾何学的形状に沿って謂わば自動的になされるようにする。
【0043】
この原理は、再び、図８及び図１０に基づいて概略的に示されている。焦点領域ＦＢにおいて、レーザエネルギー密度ＥＬは、レーザビームインパルスのパルスエネルギーを焦点領域ＦＢにおけるレーザビームインパルスＰの断面領域Ｘの面積で除した商として与えられる。中心軸Ｍが除去される体積Ｖの表面３１に直交するように配向している場合、焦点領域ＦＢにおけるレーザビームインパルスＰの断面領域Ｘの大きさは、除去される体積Ｖの表面３１上の第１の照射面Ｃ１とほぼ同じ大きさである。実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆは、実質的にレーザエネルギー密度ＥＬに対応する。
【0044】
創成すべき輪郭面２９の境界位置３２における衝撃角度αを予め規定することによって、除去すべき体積Ｖの表面３１が創成すべき輪郭面２９へ遷移する位置において、第２の照射面Ｃ２が非常に大きくなり、その結果、実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆは閾値フルエンスＦＳに対応するか、又は僅かに小さくなり、したがって創成すべき輪郭面２９の所望の幾何学的形状において材料の除去は生じない。また、第２の照射面Ｃ２は、集光領域におけるレーザビームインパルスＰの断面領域Ｘよりも大きく、実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆは、したがってレーザエネルギー密度ＥＬよりも小さい。
【0045】
本発明は、レーザビームインパルスＰによる工作物１６の材料の除去加工方法に関し、レーザビームインパルスＰは、除去すべき体積Ｖの工作物１６の体積Ｖの表面３１上の衝撃位置２７に向けられ、除去すべき体積Ｖから材料を除去する。除去すべき体積Ｖを除去することによって、新しい創成すべき輪郭面２９が工作物１６上に創成される。創成すべき輪郭面２９に対するレーザビームインパルスＰの衝撃角度αは、創成すべき輪郭面２９に直接隣接する除去すべき体積Ｖの少なくとも一部を除去する間に、予め定義された条件に従って調整される。この条件によれば、衝撃角度αは、閾値角度αＳに等しいか、又はわずかに小さい。閾値角度αＳは、作成される輪郭面２９上の衝撃位置２７におけるレーザビームインパルスＰの実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが、閾値フルエンスＦＳに等しい衝撃角度に相当する。衝撃位置２７での材料の除去は、実効レーザエネルギー密度Ｅｅｆｆが閾値フルエンスＦＳより大きい場合にのみ行われる。そうすることにより、除去すべき体積Ｖのこのような体積要素のみが、創成すべき所望の輪郭面２９に隣接するように除去されることが達成され得る。従って、所望の輪郭面２９は、衝撃角度αの開ループ又は閉ループ制御によって工作物１６上に非常に正確に作成することができる。
【符号の説明】
【0046】
１５ レーザ加工装置
１６ 工作物
１７ レーザ
１８ レーザヘッド
１９ 制御機器
２２ クランプ装置
２３ 機械軸配置
２４ 機械軸
２７ 衝撃位置
２８ パルス面積
２９ 輪郭面
３０ 切れ刃
３１ 除去すべき体積の表面
３２ 境界位置
α 衝撃角度
αｍｉｎ 最小角度
αＳ 閾値角度
Ａ 光軸
Ｂ パルス経路
ＦＢ 焦点領域
Ｃ１ 第１照射面
Ｃ２ 第２照射面
ＤＸ Ｘ軸周りの回転自由度
ＤＹ Ｙ軸周りの回転自由度
ＤＺ Ｚ軸周りの回転自由度
ＥＬ レーザエネルギー密度
Ｅｅｆｆ 実効レーザエネルギー密度
ＦＳ 閾値フルエンス
Ｍ レーザビームインパルスの中心軸
Ｐ レーザビームインパルス
Ｔ タンジェント
Ｖ 除去すべき体積
Ｘ Ｘ軸平行移動自由度
Ｙ Ｙ軸平行移動自由度
Ｚ Ｚ軸平行移動自由度
１６ 工作物
１７ レーザ
１８ レーザヘッド
１９ 制御機器
２２ クランプ装置
２３ 機械軸配置
２４ 機械軸
２７ 衝撃位置
２８ パルス面積
２９ 輪郭面
３０ 切れ刃
３１ 除去すべき体積の表面
３２ 境界位置
α 衝撃角度
αｍｉｎ 最小角度
αＳ 閾値角度
Ａ 光軸
Ｂ パルス経路
ＦＢ 焦点領域
Ｃ１ 第１照射面
Ｃ２ 第２照射面
ＤＸ Ｘ軸周りの回転自由度
ＤＹ Ｙ軸周りの回転自由度
ＤＺ Ｚ軸周りの回転自由度
ＥＬ レーザエネルギー密度
Ｅｅｆｆ 実効レーザエネルギー密度
ＦＳ 閾値フルエンス
Ｍ レーザビームインパルスの中心軸
Ｐ レーザビームインパルス
Ｔ タンジェント
Ｖ 除去すべき体積
Ｘ Ｘ軸平行移動自由度
Ｙ Ｙ軸平行移動自由度
Ｚ Ｚ軸平行移動自由度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】