特表 2023-520812 レーザ旋削システム、レーザ旋削方法、及び当該システムを使用して得られたパーツ

(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】2023-05-19

(54)【発明の名称】レーザ旋削システム、レーザ旋削方法、及び当該システムを使用して得られたパーツ

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/36 20140101AFI20230512BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230512BHJP

【ＦＩ】

B23K26/36

B23K26/082

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022562043

(86)(22)【出願日】2021-04-09

(85)【翻訳文提出日】2022-11-29

(86)【国際出願番号】 EP2021059359

(87)【国際公開番号】W WO2021205031

(87)【国際公開日】2021-10-14

(31)【優先権主張番号】20315152.7

(32)【優先日】2020-04-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522395727

【氏名又は名称】アルファノヴ

【氏名又は名称原語表記】ＡＬＰＨＡＮＯＶ

【住所又は居所原語表記】Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｄ’Ｏｐｔｉｑｕｅ ｄ’Ａｑｕｉｔａｉｎｅ － Ｉ．Ｏ．Ａ．， ｒｕｅ Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｍｉｔｔｅｒａｎｄ， ３３４００ ＴＡＬＥＮＣＥ Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ショータン， セドリック

(72)【発明者】

【氏名】オリヴェイラ， アレクサンドル

(72)【発明者】

【氏名】ポルテラーノ， マティアス

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD18

4E168CB04

4E168DA32

4E168DA46

4E168DA47

4E168EA15

(57)【要約】

【解決手段】
２５０ｍｍより短い長さ及びまたは１０ｍｍより小さい直径を有する部品（６０）を製造するためのレーザ旋削システム（１）であって、素材の棒を駆動するための回転スピンドル（３）と、前記素材の棒から機械加工される前記部品の作成輪郭を走査するフェムト秒レーザビームを発することが可能な、ガルバノメトリックスキャナ（１２）と、を含むシステム。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２５０ｍｍより短い長さ及びまたは１０ｍｍより小さい直径を有する部品（６０）を製造するためのレーザ旋削システム（１）であって、素材の棒を駆動するための回転スピンドル（３）と、前記素材の棒から機械加工される前記部品の作成輪郭を走査する、とりわけ素材の棒に対して接線方向入射によって走査する、フェムト秒レーザビームを発することが可能な、ガルバノメトリックスキャナ（１２）と、を含む、システム。

【請求項2】

前記スキャナは、前記レーザの焦点位置が、０．５ｍ／ｓより速い、または１０ｍ／ｓより速い、または２０ｍ／ｓより速い速度で、及びまたは５ｍ／ｓ^２より大きい、または５００ｍ／ｓ^２より大きい、または５０００ｍ／ｓ^２より大きい、または５００００ｍ／ｓ^２より大きい加速度で、変位するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記スキャナは前記スピンドル（３）の軸（Ｘ）に直交する並進軸（Ｚ）に取り付けられる、
請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記スピンドルは、２００００ｒｐｍより速く、または５００００ｒｐｍより速く、または１０００００ｒｐｍより速く、回転可能である、
請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

前記レーザビームは５０ｋＨｚより大きい周波数を有する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記システムは、リアルタイムで前記部品の少なくとも一つの寸法を測定するための要素（７）を含む自動化モジュール（６）を含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記システムは、前記測定要素によって実行された前記測定の関数としての、前記レーザのパラメータ、及びまたはレーザビームの変位をサーボ制御するための、モジュール（８）を含む、
請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記システムは、前記スピンドルの角度位置を、とりわけ前記スピンドルの絶対角度位置を、持続的に検知するよう構成されたロータリエンコーダ（９）を含む、
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記システムは、前記スピンドルの前記角度位置に前記レーザのパルスを同期させるよう構成された同期モジュール（１０）を含む、
請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記システムは、対向スピンドルを含む、
請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項11】

前記システムは、送り装置（１１）を含む、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項12】

素材の棒から部品を旋削するためのレーザ旋削方法、とりわけ棒旋削方法であって、請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステムの使用を含む、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法の実施により得られる、部品（６０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ旋削システムに関する。本発明はまた、レーザ旋削方法に関する。最後に本発明は、当該システムの使用または当該方法の実施により得られた部品に関する。

【背景技術】

【0002】

一つ以上の回転形状を含む部品を製造するために、旋削タイプの材料除去型の機械加工方法を実施するやり方が既知である。従来、材料の除去は、回転させられる素材の棒に対して作動する切削工具を使用して行われ、当該素材の棒から部品を得ることが望まれる。

【0003】

例えばマイクロメカニカルな回転パーツといった、微小な寸法を有する回転部品の高精度な製造は、一般的に旋削、特に金属棒から連続して複数の部品を棒旋削することにより、実行される。このやり方によると、工業的な生産性が得られるものの、機械加工される材料の性質に関連するいくつかの欠点がある。

【0004】

当該技術に特に適した材料、例えば硫黄等のチップブレーカ要素を含む旋削棒鋼、を棒旋削することは比較的容易である一方、セラミック製や硬質合金製のパーツを棒旋削することは、工具の重大な摩耗を引き起こし、より適した材料への当該技術の応用と比較して、当該技術を非生産的なものとしてしまう。さらに、硬質材料の棒旋削は、一般的に、棒材料の振動を引き起こし、必要とされる表面粗さの達成を不可能とする。

【0005】

連続レーザ源（例えばＣＯ２レーザ）を使って実行されるレーザ旋削は、産業界において広く開発されてきたが、この方法は数十ミリメートルオーダーの精度しか達成することができないため、特定の応用には適していないと判明することもあり、得られた部品に対する熱の影響は、材料の微細構造に対して損傷を与える、局所的な硬化を生じさせることがあり、より深刻には、とりわけ小さな体積の部品の場合、パーツの寸法に悪影響を及ぼす熱変形を生じさせることがある。このため、当該方法は、平均的な寸法を有するパーツについて従来の旋削方法の有利な代替方法とはなっておらず、ましてやマイクロメータサイズのパーツについてはなおさらである。

【0006】

特許文献１、２、３及び４は、レーザを使用した機械加工を可能とする様々な種類の装置を開示する。

【0007】

フェムト秒レーザによるテクスチャ付けに関するいくつかの研究が出版されている。

【0008】

非特許文献１に記載の研究では、レーザ技術により、平らな表面に対して低いまたは意図的に高い表面粗さのレベルを達成することが可能となったことが示される。

【0009】

非特許文献２に記載の研究では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを放射状に酸化アルミニウム製の回転する円筒形セラミックパーツに対して当てることにより、表面粗さに対するパルス速度及びエネルギーパラメータの影響が観察された。記載の装置によると、穿孔は使用されず、カバレージレートは６００ｒｐｍ未満であるパーツの回転速度によってのみ決定される。パーツには放射状にナノ秒パルスが当てられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】欧州特許出願公開第２３１４４１２号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第２３７４５６９号明細書

【特許文献3】欧州特許出願公開第２４８９４５８号明細書

【特許文献4】国際公開第２０１６／００５１３３号

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】「フェムト秒レーザアブレーションを使用したレーザ旋削の開発」（ヨコタニ、Ａ．、カワハラ、Ｋ．、クロギ、Ｙ．、マツオ、Ｎ．、サワダ、Ｈ．、クロサワ、Ｋ．（２００２）、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ（国際光工学会議事録）、Ｖｏｌ．４４２６、９０―９３ページ）

【非特許文献2】「応答面方法論を使用したＮｄ：ＹＡＧレーザマイクロ旋削プロセスの最適化」（キブリア、Ｇ．、ドロイ、Ｂ．、バタチャリヤ、Ｂ．（２０１２）、Ｉｎｔ．Ｊ． Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．３、Ｎｏ．１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、上述した欠点を改善し、従来から既知のレーザ旋削システムを向上させることを可能とするレーザ旋削システムを提供することにある。特に、本発明は、既知の旋削システムに比べて競争力のあるレーザ旋削システムを提案する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る旋削システムは請求項１に定義される。

【0014】

当該システムの別の実施形態は請求項２から１１に定義される。

【0015】

本発明に係る旋削方法は請求項１２に定義される。

【0016】

本発明に係る部品は請求項１３に定義される。

【0017】

添付の図面は、本発明に係る旋削システムの一実施形態を、例として図示する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明に係る旋削システムの一実施形態を示す概略図である。

【図2】図２は、本発明に係るレーザビームの軌跡を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

部品を製造するための旋削システム１の実施形態を、図１を参照しつつ以下に説明する。

【0020】

当該システムは、
－素材の棒５０を駆動するための回転スピンドル３と、
－素材の棒から機械加工されるパーツの作成輪郭を走査する軌跡に沿ってフェムト秒レーザビームを向けることができる、ガルバノメトリックスキャナ１２と、を含む。好ましくは、当該走査は、素材の棒５０の接線方向にまたは素材の棒５０の接線方向への入射によって実行される。

【0021】

より一般的には、当該システムは素材の棒を駆動するための、特に素材の棒を第一軸Ｘ上で回転させるための、モジュール２を含む。素材の棒を駆動するための当該モジュールは、第一軸Ｘ上の回転スピンドル３を含む。好ましくは、スピンドル３は２００００ｒｐｍより速く、または５００００ｒｐｍより速く、または１０００００ｒｐｍより速く、回転可能である。例えば、スピンドル３は電動スピンドルである。好ましくは、スピンドル３は、とりわけ空気圧式の、把持クランプを具備する。

【0022】

駆動モジュール２は、好ましくはさらに回転対向スピンドル４を含む。当該対向スピンドル４は、スピンドル３から取り外された際のパーツに修正を加えることを可能とする。対向スピンドル４は第一軸Ｘ上で回転可能である。好ましくは、対向スピンドル４は２００００ｒｐｍより速く、または５００００ｒｐｍより速く、または１０００００ｒｐｍより速く、回転可能である。例えば、対向スピンドル４は電動スピンドルである。好ましくは、対向スピンドル４は、とりわけ空気圧式の、把持クランプを具備する。さらに、対向スピンドル４は、スピンドル３に対して第一軸Ｘ上を並進移動可能である。例えば、このような対向スピンドルは、部品を棒部材から分離させるための分断加工を実施することを可能とする。伝統的な分断方法によると、部品の分断面は、棒部材から取り外された際に、一貫してバリを有する。

【0023】

駆動モジュール２はさらに、第一軸Ｘと、第一軸Ｘと直角な第二軸Ｙと、を含むＸＹ平面における、スピンドル３と対向スピンドル４の変位を可能とする要素５を含む。

【0024】

システムは、レーザビームを発生させるための要素２９を含む。機械加工を実施するために使用されるレーザビームは、１００ｆｓと１０ｐｓの間のパルス幅を有する光パルスからなるレーザビームである。レーザビームは５０ｋＨｚより大きい周波数を有してよく、つまり、パルスまたはショットは５０ｋＨｚより大きい周波数で発せられる。

【0025】

スキャナ１２は、レーザビームを発生させるための要素２９の出力部と機械加工されるパーツとの間において、レーザビームの経路上に配置される。

【0026】

ガルバノメトリックスキャナ１２は、１つから３つの回転軸、及びあるいは並進軸を取り入れた電気機械装置であり、その上にミラーまたはレンズ型の光学素子が取り付けられる。電圧制御型のアクチュエータが、これらの軸の動きを制御し、レーザビームを二つの軸または三つの軸上で非常に迅速かつ正確に変位させることを可能とする。ガルバノメトリックスキャナ１２は、焦点にレーザを集中させることを可能とする焦点調整装置を含む。光学素子の動きとレーザショットのトリガーとの間の同期の洗練された制御により、機械加工される回転パーツの生成装置を製造することを可能とする。

【0027】

ガルバノメトリックスキャナは、単一方向の走査を可能とする多面鏡スキャナとは異なる。

【0028】

好ましくは、スキャナ１２はレーザの焦点位置を、０．５ｍ／ｓより速い、または１０ｍ／ｓより速い、または２０ｍ／ｓより速い速度で、変位するよう配置され及びまたは構成される。スキャナ１２はレーザの焦点位置を、５ｍ／ｓ^２より高い、または５００ｍ／ｓ^２より高い、または５０００ｍ／ｓ^２より高い、または５００００ｍ／ｓ^２より高い加速度で、変位するよう配置され及びまたは構成される。

【0029】

有利には、スキャナ１２は、第一及び第二軸Ｘ及びＹに直交した第三軸Ｚに沿って並進移動可能に取り付けられる。言い換えれば、スキャナは第一軸Ｘに対して直交した並進軸に取り付けられる。それにより、ガルバノメトリックスキャナはレーザビームの焦点位置を所望の点に、とりわけ機械加工される素材の棒の水平中間面にある接線に、位置させることを可能とする。

【0030】

システムは、有利には、機械加工方法または当該システムを作動する方法を制御することを可能とする、自動化モジュール６を含む。

【0031】

当該自動化モジュール６はリアルタイムで少なくとも一つの寸法、とりわけ部品の寸法を測定する要素７を含む。この追加は、１マイクロメートルオーダーの許容誤差内にある、数十マイクロメートルの直径を含む部品の製造において、極めて重要である。

【0032】

実際、焦点を合わせたフェムト秒レーザビームの直径は、典型的には、２０マイクロメートルオーダーであり、焦点深度も同じオーダーである。

【0033】

半径入射を含むレーザビーム機械加工方法において、レーザショットは、直接アブレーションされた層の下に位置する素材の層にインパクトを与える。これは、レーザビームの圧縮できない焦点深度によるものである。この物理的限界により、ビームのサイズの大きさのオーダー、つまり２０マイクロメートル、より小さい直径精度を有する回転パーツを製造するのは不可能となる。

【0034】

この制限は、接線方向に入射するレーザビームを使用することにより克服することができる。アブレーションは、レーザビームのガウス型輪郭の縁のみを使用することによって実行される。特にこのケースにおいて、連続するレーザショットは追加的なアブレーションを引き起こすことはない。その結果、直径寸法の精度は、レーザビームの、サイズではなく、その位置決め精度によって規定される。レーザの位置決めの精度はそれ自体、スキャナ１２の、及びスピンドル３を軸Ｙ上で変位させるための要素５の、位置決め精度によって規定され、それはマイクロメートルオーダーである。

【0035】

測定精度がマイクロメートルオーダーである測定要素７による直径寸法のサーボ制御と、接線方向へのビームアブレーション方法とを組み合わせることにより、上述と同じ、つまりマイクロメートルオーダーの、輪郭を作成する装置の精度を有する旋削パーツを製造することが可能となる。

【0036】

自動化モジュール６は、さらに有利には、測定要素７によって実行される測定の関数としての、レーザのパラメータ、及びまたはレーザビームの変位をサーボ制御するモジュール８を含む。

【0037】

自動化モジュール６は、スピンドル３及びまたは対向スピンドル４及びまたはレーザビーム発生要素２９を含む、システムの多くのアクチュエータを駆動する。この制御は、特に、機械加工されるパーツの寸法測定の関数として、実行可能である。例えば、サーボ制御モジュール８は、機械加工されるパーツの寸法、とりわけ機械加工されるパーツの直径に対して、スピンドル３のまたは対向スピンドル４の、回転速度のサーボ制御を行うことができる。そのため、例えばレーザによるインパクトの緯度範囲が同じ比率となるように、機械加工される直径の理論値の関数（スピンドルの回転速度、機械加工される直径、及びレーザの周波数の関数）として、スピンドル及び対向スピンドルの速度を変えることが可能となる。より一般的には、例えば所定の表面テクスチャを得るため、例えば部品の異なるパーツに異なる表面テクスチャを得るため、部品の直径及びまたはパーツの関数として、可変もしくは一定のカバレージレートを得るため、スピンドル及び対向スピンドルの速度を変えることができる。

【0038】

測定要素７は、寸法測定器であってよい。

【0039】

加えて、測定要素７を含む自動化モジュール６は、機械加工方法にドリフトがある場合、それを修正するために、製造を追跡することを可能とする。測定要素７によるデータの取得を通じて、部品の機械加工の再現性を向上することが可能となる。測定要素７によるデータの取得を通じて、部品の最終寸法を、とりわけ機械加工のドリフト及びまたはスピンドルの非常に速い回転速度が原因で、当該サーボ制御なしでは達成し得ない、非常に高い精度で達成することが可能となる。

【0040】

自動化モジュール６は、有利には、持続的にスピンドルの角度位置を、とりわけスピンドルの絶対角度位置を検知するよう構成されたロータリエンコーダ９を含む。

【0041】

さらに、自動化モジュール６は、有利には、スピンドルの角度位置に対してレーザのパルスを同期するよう構成された、同期モジュール１０を含む。

【0042】

このように、当該角度位置とスキャナの走査とを同期することが可能となる。このように、第一軸上の回転からなるものではない表面、例えばネジ山ピッチ、歯部、ラジアルドリル、平面、溝、非円形断面などの表面、を含むパーツの製造を想定することが可能となる。

【0043】

システムは、有利には、送り装置１１を含む。システムに組み込まれた送り装置は、素材の棒の、スピンドルへの単なる挿入を、対向スピンドルの回転を実施することなく、自動化することを可能とする。当該素材の棒は、その後、スピンドルと対向スピンドルとの間の空間に挿入され、対向スピンドルに押されてスピンドルのクランプに入れられる。

【0044】

レーザ旋削方法、とりわけレーザ棒旋削の実行のモードについて、以下に説明する。

【0045】

この方法により、素材の棒から部品を得ることが可能となる。この方法は、上述したレーザ旋削システムの使用を含む。

【0046】

レーザビームＬの変位は、ガルバノメトリックスキャナ１２の作動によって制御される。これによりレーザビームの非常に迅速な変位が可能となる。その結果、機械加工されるパーツに対してレーザビームがインパクトを与えるカバレージレートは減少され、加工品質は向上する。カバレージレートは（ｉ）パーツに対する二つの連続するレーザビームのインパクトの交差面の面積と（ｉｉ）パーツに対するレーザビームのインパクトの表面の面積との比率と定義される。

【0047】

レーザビームは好ましくは、スピンドルの回転第一軸Ｘを通過する水平面に対応する、パーツの水平中間面Ｘ－Ｙに焦点を合わされる。レーザビームはまた、回転する棒部材に対して接線方向にまたは実質的に接線方向に入射するよう配向され、言い換えると、第三軸Ｚまたは実質的に第三軸Ｚに配向されて、図２に示すように、部品の所望の最終外形に沿う軌跡Ｔ上に変位される。

【0048】

このようにして、機械加工されるパーツの対象半径の材料は完全にアブレーションされ、レーザショットが継続されても、追加アブレーションは行われない。もし、レーザの入射が接線方向でなければ、特に、レーザビームの入射が半径方向であったなら、このようにはならない。実際、上記のような仮定に基づくと、追加的なショットは追加のアブレーションをもたらす。

【0049】

さらに、接線方向に入射するレーザビームによると、アブレーションされた材料は、レーザビームと離れる方向に排出されるため、半径入射の場合のようにレーザビーム内に戻ってビームを遮ることがない。

【0050】

上記の構成により、機械加工パスの完璧な制御が可能となる。加えて、レーザビームのガウス型輪郭の縁が機械加工されるパーツの表面に接する。パーツの表面に加わるエネルギーはアブレーション閾値より低く、そのため、パーツの表面は仕上げパスに相当する加工をされ、残留材料が滑らかにされる。

【0051】

有利には、機械加工されるパーツの輪郭作成ラインはシステム６によって作られる。このラインは、パーツの機械加工の間にガルバノメトリックスキャナ１２の作動により面Ｘ－Ｙ上の軌跡Ｔに沿ってレーザビームの焦点位置が変位される輪郭を構成する。さらに、パーツの機械加工を行うため、パーツは第一軸Ｘを中心に回転され、発生するラインは、それを面Ｘ－Ｙ上で、特に第二軸Ｙ上で、とりわけ駆動モジュール２の要素５を使用することにより、変位させることによって第一軸Ｘに徐々に近づけられる。レーザビームによって発生するラインの異なる経路は、それぞれ機械加工パスを構成する。

【0052】

上に説明された方法の実施により、部品の実施形態を得ることが可能となる。好ましくは、部品は１０ミリより小さい直径及びまたは２５０ｍｍより短い長さを有する。

【0053】

レーザ機械加工技術により、上述した工具の摩耗を解決することが可能となるだけでなく、下記の有利点を提供することができる。
－チップの挙動を考慮に入れる必要がなくなることから、（とりわけチップブレーカとして伝統的に硫黄を含む棒旋削スチールに関連して）機械加工可能な材料の範囲が非常に広くなる。
－切削力がごくわずかであり、棒材料は振動しない。実際、レーザショットの周波数は、機械加工が進行するにつれて、機械加工されるパーツの変化する固有モードが決して起こされないよう、サーボ制御することが可能である。
－フェムト秒レーザによる機械加工は非熱的であるため、潤滑油を必要としない。
－機械加工と同時に、表面の硬化及びまたは表面のテクスチャ付けが可能である。

【0054】

本明細書全体を通して、「棒」「パーツ」及び「部品」の用語は、異なる製造段階における部品を指すものとして使われる。「棒」の用語は、好ましくはレーザ加工開始前の及びレーザ加工開始時の、素材の棒５０を指す。「パーツ」の用語は、好ましくはレーザ加工中の棒または部品を指す。「部品」の用語は、好ましくはレーザ加工の終了時の及びレーザ加工後の、部品６０を指す。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】