(57)【要約】【課題】１０６〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲の放射照度と、１０〜５０ｋＨｚの範囲の繰返し率とを有するレーザを使用する硬質材料の加工処理装置及び加工処理方法【解決手段】硬質材料の加工処理装置は、レーザフライス加工またはレーザ切削用途のために、スキャナ（２０）を用いて材料上を走査される高繰返し率の高放射照度レーザパルスを生成するレーザ（１０）を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０６〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲の放射照度と、１０〜５０ｋＨｚの範囲の繰返し率とを有するパルスビームを出力するように構成されたレーザを備える、硬質材料の加工装置。
【請求項２】
前記レーザパルスは、３０〜２００ｎｓ、より好ましくは１００〜２００ｎｓの範囲のパルス継続時間を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記放射照度は１０７〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲であり、繰返し率は１０〜５０ｋＨｚの範囲にある、請求項１または２に記載の装置を備える硬質材料フライス加工装置。
【請求項４】
前記放射照度は１００〜２００ＭＷｃｍ−２の範囲であり、前記繰返し率は４０〜５０ｋＨｚの範囲にある、請求項３に記載の装置を備えるＰＣＤフライス加工装置。
【請求項５】
前記放射照度は１０８〜１０９Ｗｃｍ−２、より好ましくは５００〜７００ＭＷｃｍ−２の範囲であり、前記繰返し率は１０〜５０ｋＨｚ、より好ましくは１０〜３０ｋＨｚ、より好ましくは１０〜２０ｋＨｚの範囲にある、請求項３に記載の装置を備えるＷＣフライス加工装置。
【請求項６】
前記放射照度は１０６〜１０８Ｗｃｍ−２の範囲であり、前記繰返し率は１０〜５０ｋＨｚの範囲にある、請求項１または請求項２に記載の装置を備える硬質材料切削装置。
【請求項７】
前記放射照度は１０６〜１０８Ｗｃｍ−２の範囲、より好ましくは１００〜１２０ＭＷｃｍ−２、またはより好ましくは１１０ＭＷｃｍ−２（穿孔時）もしくは１１８ＭＷｃｍ−２（切削時）であり、前記繰返し率は４０〜５０ｋＨｚ以上の範囲にある、請求項６に記載のＰＣＤ切削装置。
【請求項８】
前記放射照度は１０８〜１０９Ｗｃｍ−２、より好ましくは１００〜２００ＭＷｃｍ−２の範囲にあり、前記繰返し率は４０〜５０ｋＨｚの範囲にある、請求項６に記載の装置を備えるＷＣ切削装置。
【請求項９】
放射照度が１０７〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲で、繰返し率が１０〜５０ｋＨｚの範囲のパルスレーザビームを前記材料に照射することを備える、硬質材料のフライス加工方法。
【請求項１０】
放射照度が１０６〜１０８Ｗの範囲で、繰返し率が１０〜５０ｋＨｚの範囲のパルスレーザビームを前記材料に照射することを備える、硬質材料切削方法。
【請求項１１】
前記材料は、ＷＣ基板上にＰＣＤ層を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記パルスレーザビームは前記ＰＣＤの表面に照射される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ビームは、前記ＷＣ基板内の一点で集束する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記焦点は、前記ＷＣ基板をほぼ半分まで通過している、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記パルスレーザビームは、複数の走査で照射される、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
第１の走査では、前記レーザビームは前記ＷＣ層内の一点で集束し、第２の走査では、前記ビームは前記ＰＣＤ層の表面で集束する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の走査では、前記レーザビームは前記ＷＣ層内の一点で集束し、第２の走査では、前記ビームは前記ＰＣＤ層内の一点で集束する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
第１の走査では、前記レーザビームは前記ＷＣ層内の第１の点で集束し、第２の走査では、前記ビームは前記ＷＣ層内の第２の点で集束し、
前記第１および第２の点は異なっている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記材料上には負のテーパが形成されている、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
放射照度が１０６〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲で、繰返し率が１０〜５０ｋＨｚの範囲のパルスレーザビームを前記材料に照射することを備える硬質材料加工方法。
【請求項２１】
放射照度が１０６〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲で、パルス継続時間が３０〜２００ｎｓ、より好ましくは１００〜２００ｎｓの範囲のパルスビームを出力するように構成されたレーザを備える、硬質材料の加工装置。
【請求項２２】
前記放射照度は１０７〜１０９Ｗｃｍ−２の範囲で、前記パルス継続時間は４７ｎｓ〜１６０ｎｓの範囲にある、請求項１９に記載の装置を備える硬質材料フライス加工装置。
【請求項２３】
前記放射照度は１０６〜１０８Ｗｃｍ−２の範囲で、前記パルス継続時間は１００〜２００ｎｓの範囲にある、請求項１９に記載の装置を備える硬質材料切削装置。
【請求項２４】
前記硬質材料は複合材料を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記複合材料はＰＣＤ  ＷＣ複合体を備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
所定のスポット径のパルスレーザビームを出力することと、加工物上で前記ビームを走査して、前記材料が蒸発されるが融解プールを形成しない程度まで、隣接するパルスが空間で重なるようにすることと、を備える硬質材料の加工方法。
【請求項２７】
ＷＣ基板上にＰＣＤ層を備える硬質材料を切削する方法で、前記ＰＣＤの表面に切削レーザビームを照射することを備える、方法。
【請求項２８】
レーザビームを複数の走査で前記材料に照射することを備える、硬質材料の切削方法。
【請求項２９】
各走査間で前記ビームの焦点を変化させることをさらに備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記ビームは、第１の走査では前記材料内の一点に、第２の走査では前記材料の表面に集光される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記材料内に負のテーパを形成することをさらに備える、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３２】
実質的に、図を参照して本明細書で記載されているとおりの、請求項１〜８または請求項１９〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質材料を加工処理する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、天然ダイヤモンドおよび炭化タングステン（ＷＣ）などの超硬質材料には数多くの工業用途がある。これらには、極限環境用途における、マイクロエレクトロニクス用の強固な基板だけでなく、機械加工用の工具が含まれる。しかし、  これらの材料の加工には問題が多い。
【０００３】
ＰＣＤ切削工具は一般に、非鉄金属、木材およびゴムを加工するのに用いられる。ＰＣＤブランクは、特定の形状に切削され、切削工具（多くの場合、１つの工具に複数のＰＣＤ切刃を有する）内に組み込まれた個々のホルダにロウ付けされる。多結晶ダイヤモンド切削工具ブランクは、ダイヤモンドの硬度、耐磨耗性、耐性抵抗および熱伝導性とＷＣの靭性とを兼ね備えた複合材料と見なすことができる。ＰＣＤは、金属マトリックス内でランダムに配向したダイヤモンド粒子の合成の極めて硬い互いに交わって生長した塊体である。これは、選択されたダイヤモンド粒子を、高圧高温で焼結することによって作られる。焼結プロセスはダイヤモンド安定領域内で精密に制御され、極めて硬い耐摩耗性構造体が形成される。これらの特性は、磨耗部品への用途だけでなく、広範囲の材料を加工する切削工具で最もよく利用される。これらの用途では、これらの特性は工具の寿命向上に寄与し、加工の信頼性および高精度の加工公差といったさらなる技術的利点を提供する。
【０００４】
しかし、工具の寿命の間にも、刃先は磨耗し（従来の切削工具よりも磨耗速度が遅いとはいえ）、このためＰＣＤ切刃の刃先を研がなければならない。これがなされない場合、寸法公差が大きくなり、切削品質が低下する。
【０００５】
ＰＣＤ切削工具の寿命を延ばす公知の解決策には、ワイヤ電極が放電加工によってダイヤモンドを切削する放電加工機（ＥＤＭ）が含まれる。この公知の解決策に伴う問題は、速度が遅く、簡単な形状物しか切削できないことである。他の公知の従来技術は、潤滑油を必要としたり、過度に工具を磨耗したりといった問題に見舞われる。
【０００６】
さらに、レーザを用いてダイヤモンドを切削する別の方法が提案されている。従来技術には、フラッシュ励起固体レーザ（ＦＰＳＳＬ）の使用が含まれる。フラッシュランプ励起固体レーザ（ＦＰＳＳＬ）は、産業界において２０年以上にわたり、数１００ヘルツで、ミリ秒のパルス継続時間で作動し、高出力であるが低出力密度（放射照度）を与えるのに広く用いられてきた。しかし、この機構では低電力低効率の問題に悩まされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、特許請求の範囲に明確に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明の実施形態を、実施例によって、図を参照しながら説明する。
【００１０】
例えば、硬度が２５０ｋｇ．ｍｍ２（ビッカース硬度値）を超える硬度、より好ましくは５００ｋｇ．ｍｍ２を超える、さらにより好ましくは１０００ｋｇ．ｍｍ２を超える硬度の材料に加工を施すことができる。詳細には、ＷＣの硬度は１７３０ｋｇ．ｍｍ２であり、ＰＣＤの硬度は５０９８ｋｇ．ｍｍ２である。
【００１１】
一般に、本発明は、天然ダイヤモンド、ＰＣＤ、ＷＣなどの硬質材料を、パルスレーザを用いて、極めて高い繰返し率と放射照度で加工するように構成されたレーザに関する。パラメータの特定の範囲では、極めて効果的な操作で各値が特定されてきた。以下により詳細に説明するとおり、一実施形態では、ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）によって所望の性能を実現できることが判明している。
【００１２】
本発明の装置に対する２つの特定の加工用途、すなわち、初期の工具形状を切削することおよび工具の鋭さを維持することが以下に説明される。
【００１３】
硬質材料を形削りまたはフライス加工する装置が図１に示されている。レーザ１０は、パルスビームを生成する。パルスビームは、ミラー１２、１４によって方向変更され、望遠鏡（ビーム拡大器）を備える光学アレイ１６、１８を通して、目標物（例えば、フライス加工されるＰＣＤ材料）を横切ってビームを移動させるスキャナ２０に導かれる。ビームは、整形もしくはクリップ開口または絞り２４、２６、２８、３０を通過する。さらに、例えば、ＨｅＮｅアライメントレーザなどのアライメントレーザ３２が、ミラー３４、３６によってパルスビームと同軸になるアライメントビームを生成する。ミラー３６はパルスレーザビーム光路内にあるが、位置合わせが終了すると取り外すことができる。ＨｅＮｅアライメントビームに関連付けて絞り２３を使用し、後方反射板を用いる位置合わせを補助する。
【００１４】
レーザフライス加工の方法は、ウェストサセックス州のクローリー（Ｃｒａｗｌｅｙ，Ｗｅｓｔ  Ｓｕｓｓｅｘ）にあるパワーレーズ社（Ｐｏｗｅｒｌａｓｅ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）から入手可能なＳｔａｒｌａｓｅ  ＡＯ２  Ｎｄ：ＹＡＧ  Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ＤＰＳＳＬを、１０６４ｎｍの基本波長で使用している。このパルスレーザは、繰返し率とパルス継続時間がそれぞれ３〜５０ｋＨｚと２０〜２００ｎｓの範囲で、最大２２０Ｗの平均出力を提供する。出力ビームパワーは、任意の適切な減衰部（図示せず）を用いて変更され、次にガリレイ望遠鏡１６、１８を用いて平行ビームとされ、ガルバノメータスキャナ２０（ドイツのミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）のスキャンラボ社（Ｓｃａｎｌａｂ  ＧｍｂＨ）から入手可能なＳｃａｎＬａｂ  ＨｕｒｒｙＳｃａｎ２５）に導かれる。スキャナには、２５×２５ｍｍの作業標的領域を備える、焦点距離が８０ｍｍのｆ−θテレセントリック対物レンズが取り付けられている。全ての加工作業は、標準的な周囲環境条件で空気中において実行され、ガスアシストを用いない。
【００１５】
動作においては、システムは、最初に、アライメントレーザ３２を用いて位置合わせられ、着脱可能なミラー３６が取り外される。次に、パルスレーザ１０が作動し、以下により詳細に説明する作動サイクルを実行する。パルスビームが、スキャナ２０により目標物を横断して走査される。
【００１６】
スキャナ２０は、図７からより詳細に理解できるであろう。図７では、スキャナはステアリングミラー５０、５２とフラットフィールドレンズ５４とを含んでいる。挿入図５６から明らかなとおり、パルスビームを走査する結果として、重なったレーザパルスを実現して、任意の所望の複雑な切削形状を可能にする。走査速度は、レーザの繰返し率とレーザパルスの空間的な重なり度合いの関数として決定される。パルスの重なり度合いは、目標物のうち任意の特定部分が受ける「熱」量を制御するために利用される。レーザパルスが目標物を照射すると、材料は加熱され、材料の一部が蒸発し、パルス後、目標物は冷却し始める。この冷却プロセスが起こっている間、次のパルスが到達し、重なりがある場合には、材料は最初のパルスよりも早く蒸発点に達し（最初のパルス後の材料温度は周囲環境温度よりも高いため）、この結果、レーザパルスは蒸発により有効になる。しかし、このプロセスには限界がある。過剰な残留熱エネルギーが目標物内に残され（蓄えられ）ると、材料は液状体になり、溶融プールが形成される。これは、かなり制御が難しく、従ってフライス加工プロセスでは望ましくない。さらに、重なりを注意深く制御することによって、フライス加工プロセスが終了した後の材料表面の質を制御することができる。重なりが大きいほど、滑らかな仕上がりとなる傾向がある。従って、実験によって所定の設定に対する適切な走査速度を決定し、所望のレベルのフライス加工を達成することができる。
【００１７】
選択された特定の動作パラメータは、２つの特定材料であるＰＣＤとＷＣに関連して、本明細書で説明される。例えば、レーザを利用して、図２で示される材料などの材料をフライス加工することができる（および、以下により詳細に説明するように、切削する）。この材料は、ＷＣ基板２１０上にＰＣＤ層２００を含み、切削／フライス加工される刃先２３０およびテーパ角度θ２４０を備える複合材料２２０を形成している。レーザ切削およびフライス加工プロセスは、ＰＣＤを切削工具として使用可能な切削を実現し維持しなければならない。図２は、ＰＣＤ材料のダイヤモンド側に必要とされる鋭い刃先２３０を示している。この刃先は、正確に直線で、できる限り半径が小さくなければならない。この鋭い刃先は、切削面２５０上でのみ必要とされ、ＰＣＤ部分の他の側では必要とされない。
【００１８】
正確な動作パラメータは材料に依存し、熱伝導性、密度、熱容量、蒸発温度、蒸発の比熱および目標面の反射率などの要因、ならびに、以下に述べるとおり、特定の材料の好ましい範囲に依存している。
【００１９】
ＰＣＤをフライス加工する場合、好ましい放射照度範囲は、１０７〜１０９Ｗｃｍ−２であり、より好ましくは１００ＭＷｃｍ−２〜２００ＭＷｃｍ−２である。好ましいパルス継続時間は４７ｎｓ〜１６０ｎｓであり、より好ましくは１２０ｎｓ〜１６０ｎｓである。好ましい繰返し率は、１０ｋＨｚ（４７ｎｓ）〜５０ｋＨｚ（１６０ｎｓ）の範囲であり、より好ましくは４０ｋＨｚ（１２０ｎｓ）〜５０ｋＨｚ（１６０ｎｓ）である。最大９ｍｍ３／分の除去率は、上述の特定のレーザ装置を用いて達成されるが、高出力のレーザを用いれば除去率を高くすることができる。図３は、繰返し率が１０〜５０ｋＨｚの範囲の放射照度において達成される除去率をより詳細に示している。
【００２０】
予測以上に、上述のパラメータの範囲によって、特に良好な性能結果が得られる。これは、レーザフライス加工中に起こる物理学的機構のためである。この物理学的機構では、レーザパルスによって、加工物の表面が蒸気温度まで上昇する最初の融解ステージが生成され、次いで、蒸発が制御されて生じる材料除去ステージが生成される。特に、レーザパルスは、十分に強力で（すなわち、十分な放射照度を有し）、十分なパルス継続時間を有して、材料の温度を融点より高く、材料の蒸気点（沸点近く）まで上昇させなければならない。パルス継続時間におけるこの点から、蒸発が起こり、材料が制御された方法で目標物から除去される。
【００２１】
結果的に、研磨によって材料を除去するための管理パラメータは、パルスの放射照度またはパワー密度およびパルス継続時間である。場合によっては、パルス継続時間は、レーザ繰返し率に直接関連する。繰返し率が高い場合にはパルス長は長く、繰返し率が低い場合にはパルス長は短い。従って、上述の実施形態では、上述の繰返し率の範囲は、パルス継続時間との直接的な関係により、管理パラメータを形成する。しかし、他の実施形態では、パルス継続時間自体はレーザの繰返し率とは別個に適切に制御され、所望の加工条件を達成することができる。
【００２２】
パルスエネルギーだけでなく、むしろ放射照度の重要性が生じる。この理由は、目標材料の容積体への伝導損失を低減することにより、実際に加工するためのエネルギーをより少なくし、かつ実際に液状体の融解プールを形成できるようにするために、短い継続時間（ナノ秒程度の）のパルス内にパルスエネルギーを集中させなければならないからである。ＰＣＤの場合、上述の特定の範囲の下限を下回る放射照度レベルは、材料の除去に限界があるため、材料を融解する以外はほとんど材料に影響を及ぼさないことが判明している。逆に、パルス放射照度の上限は、目標物への送出ビームを遮断するプラズマ吸収効果によって決定される（レーザ誘導吸収波（ＬＡＷ））。
【００２３】
同様に、レーザの繰返し率が大きくなるにつれて、パルス継続時間は増加するが、放射照度とパルスエネルギーは減少し、このため、最大繰返し率限度は放射照度の低いしきい値によって決定される。同様に、レーザパルス放射照度は、吸収プラズマが上述のように生成されるまで低い繰返し率で増加するため、パルス繰返し率の下限は、ＬＡＷの始まりによっても決定される。しかし、さらに別の要因が考慮されなければならない。すなわち、レーザの繰返し率が下がるにつれて、パルス継続時間は減少し、放射照度は増えることである。パルスごとの材料除去は、放射照度が増えるにつれて増加するが（材料はより速く蒸発温度に達するため）、パルス継続時間は減少し、これによってこの増加した除去率が時間短縮に役立つ。さらに、繰返し率が減少すると、パルスごとの除去量は増加するが、パルスが減少するために、全体の除去量は増加しない可能性もある。
【００２４】
従って、高速の繰返し率は、最速のＰＣＤ除去率を達成する主要な要因となることが判明している。レーザ繰返し率が大きくなるほど、フライス加工された領域の底部が滑らかになることも判明している。この結果は、最良のレーザフライス加工条件が決定され、高出力のナノ秒−キロヘルツ操作領域がＰＣＤをフライス加工するのに効果的であることを示している。
【００２５】
次にＷＣに注目すると、ＰＣＤの場合よりも低い除去率が達成される。低周波数の繰返し率（高いパルス放射照度を有する）によって高い除去率が達成されるのに対して、５０ｋＨｚの最高繰返し率は、材料が全く除去されないため、利用可能なパルス放射照度での除去には使用できない場合がある。図４を参照すると、パルス放射照度と除去率との関係が、種々の繰返し率の範囲で示されている。驚くべきことは、放射照度に対する好ましい範囲は、１０８Ｗｃｍ−２〜１０９Ｗｃｍ−２であり、より好ましくは、パルス継続時間が４７ｎｓ〜１６０ｎｓ、より好ましくは１２０ｎｓ〜１６０ｎｓに対して５００〜７００ＭＷｃｍ−２で、繰返し率が１０〜５０ｋＨｚ（４７〜１６０ｎｓ）、より好ましくは１０〜３０ｋＨｚであり、最高除去率は、１０〜２０ｋＨｚ（４７〜６３ｎｓ）の範囲で生じることである。
【００２６】
これは、上述のように、基本にある物理学的機構に起因している。５０ｋＨｚの場合、パルスは相対的に長いが、パルス放射照度は小さく、多くの場合、ＷＣに対する蒸発温度はパルス継続時間内では達成されない。パルス放射照度が最大のときのみ材料除去ステージに到達する。実際、除去率が、通常、５０ｋＨｚの繰返し率でゼロまで下がり、パルス放射照度は材料がこの蒸発温度に達するのに十分ではない。そのため、蒸発も、従って材料除去も起こらない。これは、最小のパルス放射照度の境界条件に達していないことを意味している。繰返し率が低い場合のみ、材料が除去される。この場合、パルス放射照度レベルは、パルス継続時間内で蒸発温度に到達するのに十分高くなる。例えば、３０ｋＨｚの場合、パルス継続時間は短くなるが、パルス放射照度はかなり大きくなり、パルス継続時間内でより速く材料除去ステージに達する。
【００２７】
これらの両方の場合とも、レーザ出力パワーは同一になることに留意することは重要である。このことは、レーザ出力パワーを維持し、他のレーザパラメータを変更することによって、材料除去率をかなり大幅に改善することができる。
【００２８】
次に工具の別の用途に注目し、図５を参照して、切削について以下に説明する。図５は、図１に示したレーザ切削装置と同様の特性のレーザ切削装置を示し、同様の参照符号は同様の部分に関係する。主な相違点は、ガスアシスト切削ヘッド４０が設けられていることである。
【００２９】
レーザ穿孔および切削方法は、ウェストサセックス州のクローリーにあるパワーレーズ社から入手可能な、より高出力のＳｔａｒｌａｓｅ  ＡＯ４  Ｎｄ：ＹＡＧ  Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ＤＰＳＳＬを、１０６４ｎｍの基本波長で使用している。このパルスレーザは、３〜５０ｋＨｚの繰返し率の範囲で、２０〜２００ｎｓのパルス継続時間で、最大４２０Ｗの平均出力を提供する。出力ビームパワーは、減衰部を用いて変更し、ガリレイ望遠鏡１６、１８を用いて平行ビームにし、ミラー４２によって、ＡｎｏｒａｄＸＹＺ動作ステージ１１（英国、ベーシングストーク、ロックウェルオートメーション（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂａｓｉｎｇｓｔｏｋｅ，ＵＫ）のアノラッドＵＫ社（Ａｎｏｒａｄ  ＵＫ）から入手可能）方向に向けられる。このステージでは、目標物をＸＹ方向に移動し、集光ヘッドをＺ方向に移動する。Ａｎｏｒａｄシステムは強固に取り付けられ、４５０×４５０ｍｍのＸＹ移動を＋／−１μｍの精度で、可能な最高速度２ｍ／ｓで直線駆動する。レーザビームは、１００ｍｍ〜２０３ｍｍの焦点距離の種々のレンズ４６で集光される。例えば、焦点距離が１４９ｍｍのレンズは、最良の焦点で、２００μｍの直径スポットを生成する。切削ヘッド４０は、同軸のガスジェット４８を用いて切削プロセスを補助することを可能にする。ガスジェット４８は、圧縮空気、酸素または窒素であってもよく、最大１０Ｂａｒの圧力で加工物に供給可能である。
【００３０】
採用された切削技術は、「融解燃焼および吹付け（ｍｅｌｔ  ｂｕｒｎ  ａｎｄ  ｂｌｏｗ）」として知られる反応溶融切削を含む。反応溶融切削では、レーザビームが融解プールを生成し、同軸のガスジェットが切削部の底部から液体を噴出する。ガスジェットは、融解された材料と発熱反応し、別の熱源をプロセスに追加し、融解プールの生成、従って切削速度を促進する。この方法によって、酸素または空気のいずれかをガスジェットとして用いて、優れた垂直な刃先品質が提供される。
【００３１】
実際には、切削作業は２つの異なったステージを有することが見出されている。穿孔ステージは、パーカッションドリル穴が形成される切削線の最初に生じる。この作業の大部分では、穴はメクラ穴であり、穿孔作業から破片が穴の入口から出て舞い上がり、その結果、穴の回りの材料表面にクズ領域ができる。穿孔の後に、切削ステージが続く。レーザ切削ヘッドが、一定の速度で材料の上方を移動し、一回の走査で材料が切削される。角度のある切削前方部が形成され、これは、レーザビームが吸収される場所である。レーザビームは、材料の厚みを通して導波される。
【００３２】
システムの動作は、レーザフライス加工に関しては、原理的に上述の通りであるが、特定の動作パラメータを用いて、特にＰＣＤに関連して、以下により詳細に説明する。
【００３３】
詳細には、好ましいパルス繰返し率は、１０〜５０ｋＨｚ、より好ましくは４０〜５０ｋＨｚの範囲であり、パルス継続時間は、好ましくは３０〜２００ｎｓであり、より好ましくは１００〜２００ｎｓである。平均レーザ出力は、３００Ｗ〜１ｋＷであり、より好ましくは３５０〜４００Ｗである。放射照度は、好ましくは１０６〜１０８Ｗｃｍ−２の範囲であり、より好ましくは１００ＭＷｃｍ−２の大きさ程度であり、最も好ましくは１１０ＭＷｃｍ−２（穿孔時）、１１８ＭＷｃｍ−２（切削時）である。好ましいアシストガスの圧力は、１〜１０バールの範囲であり、より好ましくは８バールである。図６を参照すると、穿孔中のＰＣＤ深さと試験時間との関係が、ある範囲の繰返し率に対して示されている。
【００３４】
切削される材料を横断するビームの走査速度の点においては、高速で作動することが好ましい。この理由は、このことによって、生産速度が上がるばかりでなく、熱が横向きに拡散する時間を短くすることができ、より狭い熱影響部（ＨＡＺ）を形成するからである。最適な速度範囲は、２１〜２７ｍｍ／分であり、約２４ｍｍ／分で最良の刃先品質が得られる。切削速度の限界は、ガスジェットがもはや融解材料を放出することができない時点であり、その時点では、反応性の拡散切削作業は失敗する。
【００３５】
図２で示された種類の複合ＰＣＤ／ＷＣ材料の場合、１００ＭＷｃｍ−２で、ＰＣＤの除去率は７．６ｍｍ３／分であり、一方、ＷＣは除去のしきい値である。切削目的に関しては、これは、ＷＣ側の上方への、切削ノズル近くおよび最良の焦点では、放射照度の好ましい範囲は１０８〜１０９Ｗｃｍ−２であり、最も好ましくは１２０ＭＷｃｍ−２であり、より好ましくは１００〜２００ＭＷｃｍ−２であり、繰返し率は４０〜５０ｋＨｚであり、最も好ましくは４５Ｈｚであり、パルス継続時間は４１ｎｓ〜２００ｎｓであり、より好ましくは１５５ｎｓ〜２００ｎｓであり、パルスエネルギーは６．７ｍＪであり、酸素ガスアシストは８バールであることを意味している。これらの値は、ＷＣを直接切削する場合にも好ましい。
【００３６】
しかし、ＷＣ側を上向きに切削する場合、反応性溶融ガスの切削プロセスによって条線が生じることが判明している。この問題は、材料を上下逆にしてＰＣＤ側が切削ノズルに最も近くなるようすることで克服可能である。最良の焦点位置は、この位置方向で、すなわちＷＣを半分まで通過して維持される。この結果、アシストガスは、ＰＣＤ層を通り抜けてＷＣに到達し、これにより、ＰＣＤ上にほとんど堆積されず、ＰＣＤを大部分クリーンで、クズが無い状態に維持する。この方法によって、大幅に改良され、ＰＣＤの条線が減り、切削刃先に直線の鋭い刃先を形成する。ＰＣＤ層はクズがなく、ＰＣＤ層とＷＣ層との間には切れ目が形成されない。条線を除去することによって、切削刃先の直線性が劣化することが減る。クズが形成されないことによって、使用前にＰＣＤ切削ツールを保持器に取り付けるロウ付けプロセスでの干渉を確実に減少させる。そうでなければ、ロウ付け接合が弱くなる。ＰＣＤ−ＷＣ界面の段差または切れ目を除去することによって、切削工具の初期故障の原因となり得る、材料間の界面の弱さが解消される。なお、条線はいくらか依然として存在しているが、他の層にはクズがなく、条線は、接合するためのロウ付けプロセスにより大きな表面面積を与えることによって、ロウ付けプロセスを補助する。
【００３７】
パラメータ範囲によって極めて良好な動作が与えられる。この理由は、放射照度が大きいほど、レーザパルスは、反応する酸素に対して、融解および蒸発ＷＣを高繰返し率で生成するからである。この燃焼反応は、全ての方向でレーザの焦点から外側に進み、それによって燃焼反応が燃料源（集束レーザビームおよび同軸のガスジェット）から大きく離れて移動するまで条線を引き起こす。この時までに、レーザ切削ヘッドは、燃焼プロセスが再び始まるＰＣＤの新しい部分まで移動している。切削速度が「燃焼反応」速度に対して増加するに伴い、条線の形成は減る。
【００３８】
成功した切削試験（１１８ＭＷｃｍ−２）で用いられたパルス放射照度は、図４に示されているとおり、蒸発によるＷＣ除去のしきい値のちょうど上にある。切削プロセスは、酸素アシストガスが融解でなくＷＣ蒸気と直接反応している状態で、この蒸発によって強化されていると考えられている。これによって、はるかに大きな発熱反応が導かれ、それによって切削が速くなる。
【００３９】
好ましい１つの方法においては、切削プロセスは、例えば第１および第２走査など、複数の走査で適用される。この場合、各走査は、切削ノズルの最上部の／最近傍のＰＣＤ層において、上述の設定を用いてもよい。その場合、第１走査は、ＰＣＤの切削に用いられ、第２走査はＰＣＤの切削刃先の品質を向上するために用いられる。
【００４０】
好ましい一実施形態においては、異なる走査間の動的集束の変化を用いて、改良された結果を提供する。例えば、第１走査では、上述のように、焦点位置はＷＣ層内に位置していてもよい。しかし、第２走査に関しては、焦点はＰＣＤの最上面まで上げることができる。この方法は、特にＰＣＤの切削刃先の品質を向上させることが判明している。第２走査に対する焦点位置を、ＷＣ層またはＰＣＤ層のいずれかにおいて代替位置まで移動することもできる。
【００４１】
さらなる改良においては、材料の切削刃先に負のテーパが形成されてもよく、これによって、図８に示されているとおり、前縁の切削刃先が下側の刃先より突き出る。詳細には、全体に７０で示されている切削ノズルは、ＰＣＤ／ＷＣ層複合体７６近くに設けられており、ＰＣＤ層７２は、最も上でノズルの最も近くにあることが見られよう。ＰＣＤ層の前縁の切削刃先７４はＷＣ層より突き出ており、これにより、一般にθで示される負のテーパが形成される。一般にＸで示され、ＷＣ層を半分通過した点から、一般にＹで示され、ＰＣＤ層の上面の点まで焦点を変更することによって、負のテーパの形成を助けることができることが判明している。テーパの量は、ＰＣＤの特性およびＰＣＤが加工に用いられる材料（木材、銅、アルミニウムなど）によって変化する。テーパの角度は、典型的には７度であるが、通常、１５度を超えることはない。
【００４２】
上述の方法によって多くの利点が得られる。従来技術よりも高速度で硬質材料を加工して、工具の磨耗や潤滑といった問題に対処する必要なく、同等の品質を達成することができることが見出された。この技術は、これらの材料を同時加工で切削およびフライス加工することができ、これによって製造設計に新しい柔軟性を提供する。
【００４３】
ＤＰＳＳＬでは極めて大きなエネルギー強度が可能であり、ナノ秒−キロヘルツの動作形態が、多くの難しいレーザ材料加工用途を大幅に改良する。短いパルスは熱効果を抑え、加工品質を向上する。一方、大きいフルエンスは、材料結合および加工効率を向上する。ＤＰＳＳＬはさらに、良好なビーム品質と、高効率と、強固な構造と、長時間のダイオード寿命との組み合わせを提供する。これによって、マクロスケールとミクロスケールの両方での製造が可能となる。ＰＣＤのレーザ切削は、代替技術よりも大幅に速い切削速度でＤＰＳＳレーザを用いて可能である。
【００４４】
例えば、ＥＤＭと比較すると、ＥＤＭを用いた対応速度よりも４倍速い、２４ｍｍ／分のレーザ切削速度が達成される。さらに、レーザおよびスキャナステージを用いると、全方向で切削することができる。
【００４５】
積層構造は、ＰＣＤおよびＷＣディスクがＥＤＭと同一品質またはＦＰＳＳよりも良好な切削品質を達成するような技術を用いて、切削することができる。このような積層構造には、ｄｅＢｅｅｒｓから入手可能なＳｙｎｄｉｔｅ（登録商標）や、好ましくは厚さが０．５ｍｍ〜３．２ｍｍの範囲にある単一層または複合構造、例えばＷＣ基板の上に０．５ｍｍのＰＣＤがある、厚さが１．６、２．０または３．２ｍｍの複合構造が含まれる。
【００４６】
本明細書で説明した技術は、任意の適切な硬質材料に拡張することができ、また任意のレーザを使用して本明細書で提示した特定のパラメータを達成可能なことに拡張できることは理解されよう。任意の材料加工応用法を利用して、ＰＣＤ材料の消えないマーク付けおよび穿孔などの切削およびフライス加工に加えて、例えば微細な孔を用いて、線引きダイスや３Ｄフライス加工により３Ｄ形状を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】レーザフライス加工装置を示す概略ブロック図である。
【図２】ＰＣＤ複合材料の断面斜視図である。
【図３】ある範囲のパルス繰返し率における、ＰＣＤのレーザビームパルス放射照度に対する除去率のグラフである。
【図４】ある範囲の繰返し率における、炭化タングステンのパルス放射照度に対する除去率のグラフである。
【図５】レーザ切削装置を示す概略ブロック図である。
【図６】ある範囲のパルス繰返し率における、試験時間に対するＰＣＤ切削深さの図である。
【図７】レーザフライス加工の用途の斜視図である。
【図８】ＰＣＤ／ＷＣ複合材料と切削ノズルの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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