(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光線が工具ヘッド内の光学部品及びビームガイダンスによって集束されガイドされる、工具ヘッドから出るパルス状のパルスレーザー光線によって工作物を機械加工する、工作物の機械加工方法であって、
焦点位置が、前記工作物表面上における前記パルスレーザー光線の入射角に従って深さ方向で制御され方向で制御され、
ほぼ直角の入射では前記工作物表面の上方又は下方に前記焦点位置があり、斜め入射では、前記焦点位置が前記工作物表面内に位置決めされる、
ことを特徴とする工作物の機械加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の工作物の機械加工方法であって、
工作物と工具ヘッドとの間の一定の相対位置において、工具ヘッドから出る前記パルスレーザー光線によって、前記パルスレーザー光線が工作物表面を横切ってガイドされ、前記工作物が第１の相対位置、及び前記第１の相対位置とは別の第２の相対位置で連続的に機械加工され、
前記第２の相対位置で発生する１つ以上のレーザーパルス衝突位置が、前記第１の相対位置から発生する１つ以上のレーザーパルス衝突位置を基準にして規定された位置を有し、前記工作物表面上において複数のレーザーパルス衝突位置によって規定される一次元又は二次元グリッド内にあるように、前記第１の相対位置から前記第２の相対位置における動作パラメータが制御される、ことを特徴とする工作物の機械加工方法。
【請求項３】
前記制御された動作パラメータが、以下の１つ、または１つ以上を含む、請求項２に記載の工作物の機械加工方法：
第２の相対位置、
前記パルスレーザー光線のスイッチ投入タイミング、
光弁の開放タイミング、
スイッチ投入タイミングにおける前記レーザー光線の偏向、
前記レーザー光線のパルス周波数、および
前記工作物表面上におけるレーザー光線の経路速度。
【請求項４】
前記第２の相対位置から行われる前記レーザーパルス衝突位置の制御が更に、測定結果に従って、かつ／又は前記第１の相対位置からの工作物の機械加工量の格納値に従って行われる、請求項２又は３に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項５】
前記第２の相対位置において、１つ以上の機械的パラメータが、レーザーパラメータに従って制御される、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項６】
工作物と工具ヘッドとの間の一定相対位置において、パルスレーザー光線が工作物表面上の位置を横切ってガイドされ、
連続的に、第１の工作物表面セグメントの第１の工作物位置及び隣接した第２の工作物表面セグメントの第２の工作物位置がそれぞれ、第１の相対位置及び前記第１の相対位置とは別の第２の相対位置から機械加工され、前記セグメントが重なり合っても又は重なり合わなくてもよい、請求項２乃至５のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルスレーザー光線によって工作物の機械加工方法であって、
前記第１および第２のセグメント並びに前記第１及び第２の相対位置が第１の基準と第２の基準に従って設定され、
前記第１の基準が、前記第１及び第２の相対位置で入射角を最適化することであり、
前記第２の基準が、平行な断面で見て、一方の相対位置における前記工作物表面に対する前記レーザー光線の考慮された入射角が、他方の相対位置における前記工作物表面に対する前記レーザー光線の隣り合った入射角に対して選ばれるようにして、前記入射角を設定することであり、
それによって、前記考慮された入射角の差が低減されるか又は所定の最大値以下である、工作物の機械加工方法。
【請求項７】
少なくとも１つの相対位置に対して考慮された前記入射角が、該相対位置における平均入射角であるか、又は前記セグメントの境界領域における工作物位置での入射角であり、他方の相対位置における工作物位置に隣接した対応する工作物位置の入射角である、請求項６に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項８】
前記第２の基準下で、平行な断面で考慮される差分量が、２０°未満、又は１５°未満、又は１０°未満に設定される、請求項６又は７に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項９】
最初に前記第１の基準が使用され、得られた設定が前記第２の基準に従って修正されるか、最初に前記第２の基準が使用され、得られた設定が前記第１の基準に従って修正される、請求項６から８のいずれか一項に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項１０】
工作物と工具ヘッドとの間の一定相対位置において、パルスレーザー光線が工作物表面上の位置を横切ってガイドされる、請求項２乃至９のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物の機械加工方法であって、
工作物位置及び前記相対位置が、該相対位置におおける前記工作物表面に対する前記レーザー光線の平均入射角が９０±３°の範囲内にないようにして選ばれる、工作物の機械加工方法。
【請求項１１】
工作物と工具ヘッドとの間の一定相対位置において、パルス状のレーザー光線が工作物表面上の位置を横切ってガイドされ、
連続的に、第１の工作物表面セグメントの第１の工作物位置及び隣接した第２の工作物表面セグメントの第２の工作物位置がそれぞれ、第１の相対位置及び別の第２の相対位置から機械加工され、前記セグメントが重なり合う形又は重なり合わない形で隣接される、
請求項２乃至１０のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法であって、
前記セグメントが、前記工具ヘッドの利用可能な作業窓よりも小さく、予備セグメントを分割することによって決定され、前記分割が、前記予備セグメント及び場合によっては更にそれに隣接したセグメントにおいて、前記工作物表面に対するレーザー光線の入射角の考慮に従って行われる、工作物の機械加工方法。
【請求項１２】
パルスレーザー光線が工作物表面を横切ってガイドされ、工作物を、１つ以上の自動制御可能な制御軸によって工具ヘッドに対して相対的に調節することができる、請求項２乃至１１のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法であって、
前記制御軸の１つ以上及び前記工具ヘッドからの前記パルスレーザー光線が、同時に操作され、共同で駆動される、工作物の機械加工方法。
【請求項１３】
工作物と工具ヘッドとの間の一定相対位置において、パルスレーザー光線が工作物表面を横切ってガイドされ、
連続的に、第１の工作物表面セグメントの第１の工作物位置及び隣接した第２の工作物表面セグメントの第２の工作物位置がそれぞれ、第１の相対位置及び第２の相対位置から機械加工され、セグメントが重なり合うか又は重なり合わない形で隣接することができ、境界領域において、前記レーザー光線が前記第２の相対位置からとは別の角度で一方の相対位置から衝突する、請求項２乃至１２のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法であって、
前記一方の相対位置におけるレーザーパルス衝突位置が、前記入射角の差に従って設定され、他の設定に対してシフトされる、工作物の機械加工方法。
【請求項１４】
複数行程において材料の複数層が前記工作物表面の同じ位置でアブレーションされる、請求項２乃至１３のいずれか一項に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項１５】
工作物と工具ヘッドとの間の一定の相対位置において、パルス状のレーザー光線が工作物表面を横切ってガイドされ、規定された工作物領域が第１の相対位置及び前記第１の相対位置とは別の第２の相対位置から続いて機械加工され、複数行程において材料の複数層がアブレーションされる、請求項２乃至１４のいずれか一項による、工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法であって、
１つの層における工作物領域の境界が、直上若しくは直下の層における境界とは異なるように、定性的に異なるように選ばれるか、又は層の１つにおける前記境界が前記層の直上若しくは直下の層における前記境界に対して並進方向でのみシフトされるようにして選ばれる、機械加工方法。
【請求項１６】
前記入射角が９０°に近付くにしたがって、前記焦点位置と前記工作物表面との間の距離が増加する、請求項１に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項１７】
表面の構造化が、単一又は複数の連続的なレーザーパルス衝突点によって行われる請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の工作物の機械加工方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか一項による工作物の機械加工方法を行う装置。
【請求項１９】
レーザー源と、レーザー光を整形する光学部品と、前記レーザー光をガイドするビームガイダンスとを備える、工具から出るパルスレーザー光線によって工作物を機械加工する工具であって、
前記光学部品が、互いに対して捻れた面内で見たときに異なる焦点長さを有し、前記パルスレーザー光線を搬送する、調整可能な非点収差レンズを備える、機械加工工具。
【請求項２０】
レーザー源と、レーザー光を整形する光学部品と、前記レーザー光をガイドするビームガイダンスとを備える、工具から出るパルスレーザー光線によって工作物を機械加工する工具であって、
前記光学部品が、互いに対して捻れた面内で見たときに異なるアパーチャサイズを有し、前記パルスレーザー光線を搬送する、異方性において調節可能なアパーチャを備える、機械加工工具。
【請求項２１】
前記アパーチャサイズの調整性が、前記ビームガイダンス内への前記アパーチャの挿入又は前記ビームガイダンスからの前記アパーチャからの抜去を含む、
請求項２０に記載の機械加工工具。
【請求項２２】
請求項１８に記載の装置に対するコントローラ。
【請求項２３】
実行時に、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法、又は請求項１８に記載の装置、又は請求項２２に記載のコントローラを与える、コンピュータ可読コードを備えたデータキャリア。
【請求項２４】
前記焦点位置は、レーザー源と振動ミラーとの間に位置する調整可能な光学素子によって制御される、ことを特徴とする請求項１に記載の工作物の機械加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光線、レーザー工具、レーザー機械、及び機械コントローラによって工作物を機械加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術は、以下のとおりである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＤＥ１０１７３２２Ａ
【特許文献２】ＷＯ２０００／１８５３５
【特許文献３】ＤＥ１０３２４４３９Ａ
【特許文献４】ＤＥ１０３５２４０２Ａ
【特許文献５】ＤＥ１０２００４０１３４７５Ａ
【特許文献６】ＥＰ１６１３４４７Ａ１
【特許文献７】ＤＥ１０２１００７０１２８１６
【特許文献８】ＤＥ１０２００７０１２８１５Ａ
【特許文献９】ＤＥ１０２００７０１６０５６Ａ
【発明の概要】
【０００４】
図１は、既知の工作機械１を概略的に示している。機械１は機械フレーム１６を備える。それに対して、加工中に工作物１１をしっかりと取り付けて保持する工作台１４が、調節可能に取り付けられる。フレーム１６に対する工作台１４の調節機能は、１つ以上の並進及び／又は回転軸に沿って、かつ／又はそれを中心にして、並進性及び／又は回転性を有してもよい。これらの軸は１５によって示される。機械フレーム１６には、レーザー工具ヘッド１３も取り付けられる。標準化された継手（ＨＳＫタイプ、円錐形など）を介して交換可能、挿入可能、及び抜去可能であってもよい。また、工具ヘッド１３は、機械フレーム１６に対して、１つ以上の並進及び／又は回転軸１７に沿って、若しくはそれを中心にして調節可能であってもよい。
【０００５】
レーザー工具ヘッド１３はレーザー光線１２を放射し、それが工作物表面１０に衝突し、そこで材料の液化及び蒸発に結び付く。レーザー光線１２は、通常は連続的なレーザー光線ではなく、それよりもむしろパルス状のレーザー光線である。衝撃力は通常、それに対する単独の衝撃のみで材料の蒸発を引き起こすのに十分に強力である。スキャナ及び適切な光学部品を使用して、レーザー光線、及び特にその焦点は、所望に応じてスペースを介してガイドされる。
【０００６】
コントローラ１８は、レーザー光線１２を制御し、また特に、ヘッド１３内のアクチュエータを用いて空間内でレーザー光線１２の焦点の位置を制御する。また、軸１５及び１７、並びに他の機械構成要素を制御する。センサ手段１９は、例えば、既に機械加工された窪みを三次元的に測定してもよく、又は工作物上におけるレーザー光線の瞬間位置を検出してもよく、それを適切な形式でコントローラ１８に供給してもよい。記憶装置１８ａは、ＣＮＣ機械の機械加工プログラムに対するプログラムデータを含む機械加工データを保持する。
【０００７】
工作物１１は、金属材料であってもよく、又はセラミックス若しくは樹脂であってもよい。あるいは、キャリヤの塗装カバーであってもよい。機械加工される構造は、多数の窪みであってもよく、又は窪みの深さまでほとんど達しないある種の表面処理であってもよい。
【０００８】
一例として、以下、車両のダッシュボード用のダイキャスト型の機械加工を想定する。大型の形状は既に別の方法で機械加工されたものと想定し、記載する機械は適切な表面構造を形成するものとする。鋳型が機械加工されるので、ネガ形状が作成されるはずである。工作物は比較的大型であり、少なくとも０．１ｍ２又は少なくとも１ｍ２の表面を有してもよい。正方形の場合、これは、工作物表面における少なくとも３１ｃｍ又は１ｍの端部長さに相当する。
【０００９】
レーザーヘッド１３は、通常、かかる大きい偏差を発生させることができないか、又は品質の著しい損失を伴わずにそれらを発生させることができない。この理由から、頻繁に用いられる方策は、工作物表面をセグメントへと分離し、次に各セグメントを、工作物１１と工具ヘッド１３との間におけるそれぞれの一定相対位置から機械加工するというものである。セグメントの機械加工が完了すると、軸１５及び１７を使用し、それらを適切に制御することによって、工作物を工具に対して移動させて、新しい相対位置で新しいセグメントを機械加工することができる。
【００１０】
図２は、既知の方法における工作物のセグメント化を示している。図示される工作物は、４つの穴を有するボタンの鋳型であってもよく、その場合、型内には円で示される４つの柱が残っている。１０は工作物表面の窪みである。工作物表面の全体サイズが、工具ヘッド１３と工作物１１との間におけるただ一つの相対位置から機械加工するには大きすぎることが想定される。したがって、工作物表面がセグメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分離されるが、この分離は実際の分離ではなく説明上の分離である。それぞれのセグメントに対して、工作物と工具ヘッドとの間におけるそれぞれの特定の相対位置が調節され、そこからセグメントが機械加工される。セグメント化及びそれぞれの相対位置の設定は両方とも、様々な基準の下で行われる。１つは入射角の最適化であってもよい。別のものは遮光又は衝突の回避であってもよい。
【００１１】
セグメントの機械加工が完了すると、工作物及び／又は工具ヘッドは互いに対して変位されて、更なるセグメントのための良好な相対位置に達し、そこから更なるセグメントが機械加工され、それが続いてもよい。工作物表面は、１０又は２０又は５０又はそれ以上のセグメントに分離されてもよい。更に、窪みが深さ方向へと形成されるとき、セグメント境界は、層方向の材料除去が使用される場合、図２にグリッド２１、２２、２３で示されるように、異なる層で異なるように位置決めされてもよい。それぞれのグリッドは、異なる層におけるセグメント境界（ｚ位置）を示している。好ましくは、それらは、境界において不連続性を示すように互いに対して変位され、それらの影響は不鮮明にされるので、側壁にアーチファクトが蓄積しない。
【００１２】
図３は、工作物表面をセグメント化するときに起こることがある問題の１つを示している。図３ａは、工作物表面が２つのセグメント２１ａ、２１ｂへと分離されていることを示している。各セグメントに関して、レーザーヘッド１３の位置は、その瞬間の工作物表面に対するそれぞれの位置が良好又は最適であるように選択される。ここで、最適とは、平均して、機械加工すべき工作物に出力ができるだけ均一に導入されるようにして、レーザーが工作物表面に垂直に衝突することを意味する場合がある。このことは、図３ａに示されるように工作物表面が平らでないときに、ヘッド１３の位置決めが非常に個別的になることに結び付く。ここで、１３−１及び１３−２はヘッド１３の異なる位置を示している。
【００１３】
その結果、各セグメント自体に対する動作が最適であり得る。しかしながら、この方策の不利な点が図３ｂ及び３ｃに示されている。セグメント２１ａ及び２１ｂの境界では、２つの位置１３−１及び１３−２からのレーザー光線が、異なる角度α及びβで工作物表面に衝突する。レーザー光線１２の直径ｄがそれぞれ同じである場合、異なる角度α及びβは、異なる相対位置から来る隣り合った衝撃スポットにおいて、工作物表面上の異なる投射寸法ｐ１及びｐ２に結び付く。これが、工作物表面上におけるレーザー光線径の不均一な投射（ジオメトリ誤差）に結び付き、結果として、不均等な出力密度、また従って異なるアブレーション特性（アブレーション誤差）に結び付く。
【００１４】
単一レーザー衝撃の入射スポットに対応する個別の地点が形成される場合、それらはセグメント境界において、そのどちらの側にあるかに応じて、システム上同じジオメトリ偏差を有する。垂直入射では、セグメント２１ｂにおいて、形状はほぼ円形であるが、斜め入射では楕円形の歪みが得られる。機能面から判明されない場合であっても、セグメント境界に沿った形状の移行は、光学的に明確に認識可能である場合が多い。これは非常に望ましくない。また、これらの影響は、セグメント間のトラック境界を交錯させることによって１つの層内で「不鮮明に」されてもよい。しかしながら、その場合であっても、不均一性は可視的な場合もあり、又は機能面から判明することもある。
【００１５】
図４は、セグメント境界における更なる問題を示している。各相対位置において、レーザーは複数のトラックに沿ってガイドされ、このようにして、ガイダンス速度及びインパルス周波数ｆｐ＝１／Ｔに応じて、単一入射スポットのシーケンスを発生させる。その後、更なるセグメントを機械加工するために相対位置が変更されるとき、第２の相対位置内における制御自体は適正かつ均一であっても、第１の相対位置からの機械加工から見出される状況と関連していないため、接続誤差になることがある。
【００１６】
図４は、単一地点が互いに規則的に続いていないことを示している。図示されているのは、平面図の垂直方向における接続誤差のみである。しかしながら、平面図内の水平な接続誤差があることもあり、それがトラックの互いに対する変位に結び付く。やはり、これらの影響が機能上の帰結を有さない場合であっても、セグメント境界に沿ったアーチファクトとして少なくとも光学的に認識可能である場合が多く、やはり非常に望ましくない。
【００１７】
図５は、時系列に沿った一般的なレーザーパルス５０ａ、５０ｂ、及び５０ｃを示している。５１は、非常に規則的な形で、期間Ｔで互いに続く単パルス又はパルス群を表している。期間Ｔの持続時間は、ほとんどの種類のレーザーに対して良好かつ迅速に制御可能であるが、一部のタイプのレーザーに対してはゆっくりとしか制御できないか、又は制御が困難である。しかしながら、いずれの場合も比較的均一かつ予測可能である。パルス５０ａでは、期間Ｔで互いに続く単パルス５１がある。パルス５０ｂでは、均等に互いに続くパルス５２、５３による二重パルスがあり、それぞれ第１のパルスが第２のパルスよりも弱い。これらの二重パルスも互いに対して期間Ｔを規定している。パルス５０ｃでも、パルス５２、５３による二重パルスが示されているが、これらは互いに均等である。
【００１８】
図示されるパルスは全て、スイッチ投入時の現象も示している。それぞれの左側のパルス／二重パルスがスイッチ投入後最初のパルスであると想定した場合、最初のパルスは比較的強力であり、それに続くパルスは一定レベルに達するまで弱くなることが見出される場合が多い。したがって、この開始時の片勾配により、アブレーション出力はスイッチ投入直後に変化する。レーザーパルス衝突の直径によって表現される、最初の衝突の直径は、それに続くものよりも大きくなるであろう。
【００１９】
工作物表面に対する出力密度（面積当たりの出力）が不均一の場合、アブレーション出力も不均一なので、アブレーションの不均一性及びアブレーションミスが生じることがある。不均一な出力密度は、上述のジオメトリ誤差によって、又は上記の開始時の片勾配によって生じることがある。
【００２０】
全体的に、レーザー光線を用いた既知のセグメント化された工作物の機械加工方法は、それぞれのセグメント内で妥当な精密性を有し、セグメント境界におけるアーチファクトは特定の方法で不鮮明である場合、隣り合ったセグメントの境界では、光学的に認識可能であり、かつ／又は機能上の不連続性を有する、ジオメトリ誤差、接続誤差、又はアブレーション誤差の形態の不連続性が生じることがある。
両方とも望ましくない。
【００２１】
本発明の目的は、セグメント化された工作物の機械加工におけるレーザー制御の精密性を改善し、特に光学的に認識可能な差を回避する、レーザー光線及び適切なレーザー工具によって工作物を機械加工する方法を提供することである。
【００２２】
この目的は、独立特許請求項の特徴によって達成される。
【００２３】
パルスレーザー光線を機械加工する方法では、レーザー光線は、工作物と工具ヘッドとの間における一定相対位置の下で工作物表面を横切ってガイドされる。工作物は、第１及び別の第２の相対位置から連続して機械加工される。第２の相対位置における機械パラメータは、第２の相対位置から工作物表面上への１つ以上のレーザーパルスの衝突が、第１の相対位置から工作物表面上への１つ以上のレーザーパルスの衝突に関連して規定の位置を有するように、特に、第１の相対位置から発生する工作物表面上への複数のレーザーパルスの衝突によって規定される一次元又は二次元グリッドに位置するようにして制御される。
【００２４】
この方法は、相対位置からの機械加工によって与えられるグリッドが、その後の相対位置からの機械加工においてできるだけ精密かつ対称的に継続されるので、最良の場合、相対位置間の差分及びセグメント境界が判別できないという効果を有する。
【００２５】
工具ヘッドからのレーザー光線によって工作物を機械加工する更なる方法では、パルスレーザー光線は、工作物表面上の位置を横切って、工作物と工具との間の一定相対位置の外にガイドされる。連続的に、第１の工作物表面セグメントの第１の工作物位置は第１の相対位置から機械加工され、隣り合った第２の工作物表面セグメントの第２の工作物位置は第２の相対位置から機械加工され、セグメントは重なり合う形又は重なり合わない形で隣接する。第１及び第２のセグメント並びに第１及び第２の相対位置は２つの基準に従って設定されるが、その一方は、それぞれの相対位置における状況に従って入射角を設定することであり、他方は、好ましくは平行な断面で見て、１つの相対位置における工作物表面に対するレーザー光線の考慮された入射角が、別の相対位置における工作物表面に対するレーザー光線の考慮された入射角に対して選ばれるようにして、好ましくは考慮された入射角の差が低減されるか又は所定の最大量未満であるようにして、入射角を設定することである。
【００２６】
この方法によって、（異なるセグメントの）異なる相対位置から来る、また互いに近接若しくは隣接した、工作物表面に対するレーザーパルス衝突の入射ジオメトリは、境界における工作物表面に対するレーザー光線の投射ジオメトリのばらつきが少なく、従って急速に変化しないように均等化される。またこのようにして、セグメント境界における急な機能上の又は認識可能な差が低減されてもよい。
【００２７】
工作物位置及び相対位置は、この相対位置における工作物表面に対するレーザー光線の平均入射角が、９０°±３°の範囲外であるように選択されてもよい。
【００２８】
工具ヘッドからのレーザー光線によって工作物を機械加工する方法では、パルスレーザー光線は、工作物と工具ヘッドとの間における一定相対位置の外に、工作物表面上の位置を横切ってガイドされ、続いて、第１の工作物表面セグメントの第１の工作物位置が第１の相対位置から、また隣接した第２の工作物表面セグメントの第２の工作物位置が別の第２の相対位置から機械加工され、セグメントは、重なり合う形又は重なり合わない形で互いに隣接してもよい。セグメントは、レーザーヘッドの利用可能な作業窓よりも小さく、特に予備セグメントを分割することによって規定され、その分割は、予備セグメント及び場合によっては更にそれに隣接したセグメントにおいて、工作物表面に対するレーザー光線の入射角の考慮に従って行われる。
【００２９】
この方法は、セグメント内において、レーザー光線入射角が非常に大幅に変動することにより、セグメント内における差も認識可能である場合に有用である。予備セグメントが複数のより小さいセグメントに分割されてもよい場合、これらのより小さいセグメントの１つにおいて、ばらつきはより小さく、上述したようにセグメント境界全体にわたって均等化することができる。
【００３０】
入射角が考慮される限り、これらは、レーザー光線衝突前の瞬間の局所的な工作物表面に対するレーザー光軸の角度であってもよく、２０又は１０又は５μｍ未満の構造的特徴が均等化されてもよい。
【００３１】
工具ヘッドから出るレーザー光線によって工作物を機械加工する方法では、レーザー光線は工作物表面を横切ってガイドされ、工作物は、１つ以上の自動（フィードバック）制御された軸によって工具ヘッドに対して調節される。軸の１つ以上及び工具ヘッドからのパルスレーザー光線は、同時に、かつ相互に関連する形で操作される。
【００３２】
かかる方法を用いて、少なくとも１つの機械軸及びレーザー光線を同時に操作することによって、大型の工作物の広い面積が「ノンストップで」走査される、少なくとも１つの面積寸法内における異なる相対位置／セグメントの離散的な調節によって生じるアーチファクトを回避することが可能である。
【００３３】
工具ヘッドから出るパルスレーザー光線によって工作物を機械加工する方法では、パルスレーザー光線は、工作物と工具ヘッドとの間における一定相対位置の下で工作物表面を横切ってガイドされ、続いて、第１及び第２の工作物表面セグメントの第１及び第２の工作物位置が、第１の及び隣接した第２の相対位置から機械加工される。レーザー光線は、第２の相対位置外で衝突するのとは別の工作物表面上に対する角度で、第１の相対位置外で、境界において衝突する。相対位置の１つにおけるレーザーパルス衝突位置は、上述した入射角度の差に従って位置決めされ、特に、他の設定に比べてシフトされる。
【００３４】
これにより、例えば図３ｃに示されるように、工作物表面上における異なる投射サイズのレーザー光線径が、重なり合わない形で配置されるという利点が得られる。
【００３５】
層方向の材料除去において、層は必ずしも平面又は平らでなくてもよく、曲がっていて不均一であってもよいことが指摘される。それらは、元の（不均一な）工作物表面を辿ってもよく、又は形成されるべき窪みの最終外形を辿ってもよく、又は他の基準に従って不均一に形成されてもよい。不均一性は、セグメント内の走査境界を適切に選択することによって、かつ／又は対応するｚ方向の焦点制御によって得られてもよい。
【００３６】
工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法では、パルスレーザー光線は、工作物と工具ヘッドとの間における一定相対位置から工作物表面を横切ってガイドされる。互いに対して区切られた工作物面積は、続いて、第１の及び別の第２の相対位置の外から機械加工される。複数回の繰返しでは、材料の複数層がアブレーションされる。一層内における工作物面積の境界は、その直上又は直下の層とは異なるように、特に例えば、一層の境界が上層又は下層に対して並進方向でのみシフトされたものではないようにして、定性的に異なるように選択される。
【００３７】
例えば、一層のセグメント境界は長方形パターンを辿り、後続の層では六角形パターンを辿り、更に後続の層では不規則パターンを辿るなどであってもよい。セグメント境界の規則性が回避されることによって、やはり、最終的な機械加工済み製品におけるアーチファクトの発生が低減される。
【００３８】
工具ヘッドから出るパルス状のレーザー光線によって工作物を機械加工する方法では、レーザー光線は、工具ヘッド内の光学部品及びガイダンスによって集束されガイドされる。深さ方向での焦点位置は、工作物表面上へのレーザー光線の入射角に従って制御される。
【００３９】
工作物表面における故意に制御された焦点外しによって、レーザーのパルス当たりのアブレーション性能を制御することができる。このパラメータは、入射角など、アブレーション性能に影響を及ぼす他の量を補償するのに使用することができる。その依存は、ほぼ直角の入射では、従って高出力密度では、特定の焦点外し（その瞬間の工作物表面の上方又は下方に焦点位置がある）が選ばれるが、斜め入射では、焦点が工作物表面内に位置決めされるようなものである。幾何学的関係によるアブレーション性能のばらつきは、焦点位置の変動によって均等化される。
【００４０】
工具から出るパルスレーザー光線によって工作物を機械加工するためのレーザー工具は、レーザー源と、レーザー光を形成する光学部品と、レーザー光をガイドするガイダンスとを有する。光学部品は、ビーム経路内に、互いに対して捻れた面内で考慮したときに異なる光学的性質を備えるが、レーザー光線をガイドする、調節可能な光学素子を備える。
【００４１】
異なる層内における異なる光学的性質を備えた光学素子は、作業ジオメトリによって引き起こされる差を補償するのに使用することができる。それらは、非点収差を補正するレンズに類似した効果を有してもよく、又はそれら自体が非点収差を備えたレンズであってもよい。非点収差の量及び／又はその配向は調節可能であってもよい。同様に、例えばセグメント境界における異なる楕円率を均等化するため、配向を調節可能な楕円形のアパーチャが設けられてもよい。
【００４２】
概して言えば、一定相対位置での機械加工は、レーザー光線を特にその焦点領域で、ガルバノミラーを介して二次元ｘ及びｙで（若しくは球形区画を横切る一定の焦点長さにおいて）偏向させて、（ｚシフターによる）偏向及び光弁の切替えに応じて焦点位置を制御することによって、レーザー光の光線衝突位置がその瞬間の機械加工される表面セグメントを横切ってガイドされるようなものであってもよい。
【００４３】
上述の方法及び方法ステップの一部は、前もって計画され、機械に格納されると共に工作物の機械加工中に使用される、対応する予め確立された機械加工プログラムの形で実装されてもよい。しかしながら、ステップの一部はリアルタイムで制御することができ、若しくは制御しなければならず、又はセンサ信号に依存して制御することができ、若しくは制御しなければならない。
【００４４】
上述の方法は、層方向の材料除去を完全にカバーする多数の窪み形成に使用されるか、或いは一層のみ若しくはいくつかの複数層における規則的又は連続的構造のアブレーションによる表面の模様付けに使用されてもよい。例えば、工作物は、例えば自動車製造における、熱可塑性物質の大量生産向けの大型のダイ型であってもよい。
【００４５】
空間内におけるレーザー光線の焦点位置は合理的に予測可能に制御できる。単純化した説明（振動ミラーによって引き起こされる球状のジオメトリは無視する）では、面積内における焦点の偏向は、振動軸（ほぼｘｙ面内で制御、図１の座標定義を参照）が交差する振動ミラーによって作られるが、深さ方向（工具から離れるｚ方向）では、焦点は高速の光学素子（「ｚシフター」）を用いて制御されると言うことができる。これらの構成要素は、機械コントローラによる連続的で迅速な制御下にあってもよい。
【００４６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本願で記載する加工方法、および加工工具が使用される機械の全体概略図。
【図２】工作物表面を、特に複数の層にセグメント化した図。
【図３ａ】衝突するレーザー光線における課題を説明する概略図。
【図３ｂ】衝突するレーザー光線における課題を説明する概略図。
【図３ｃ】衝突するレーザー光線における課題を説明する概略図。
【図４】セグメントの境界における課題を説明する概略図。
【図５】一般的なレーザーパルスを示す図。
【図６】レーザー光線の入射角の設定を説明する概略図。
【図７】レーザー工具を示す概略図。
【図８】セグメント境界における接続を改善する方法を示す図。
【図９】図８に示される方法の結果を示す図。
【図１０ａ】角度依存の焦点制御を示す概略図。
【図１０ｂ】角度依存の焦点制御を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
全体として、本明細書では、特徴は、それらの組み合わせが技術的に可能である限りにおいて、組み合わせが明示されない場合であっても互いに組み合わせ可能と見なすものとする。方法ステップ及び方法の説明もまた、それぞれの方法ステップ又は方法を実践する、デバイス構成要素及びデバイス、又は装置構成要素及び装置として理解され、その逆も同様であるものとする。
【００４９】
全体として、本明細書では、図１に示されるような座標系が使用される。ｚ方向は垂直であり、窪みの深さ方向であってもよく、一方でｘ及びｙ座標は水平である。これは説明目的で理解されるものとする。実際の使用における様々な回転軸及び複雑なジオメトリにより、一般に、例えば、（瞬間的な若しくは元の）工作物表面がｘｙ面内にあるもの、又は窪みの深さ方向が常に垂直に配向されるものと想定することはできない。
【００５０】
図６は、図３ｃを参照して説明した影響が低減又は回避される、方法を示している。ここで、工具１３と工作物セグメント２１ａ及び２１ｂとの間の相対位置は、それぞれの個別の最適化のみではなく、相互の考慮にも基づいて選択され、特に、セグメント２１ａ、２１ｂの境界領域における入射角α’及びβ’は、セグメント２１ａ、２１ｂの境界領域内の工作物表面上におけるレーザー断面の投射の差が少なく、最良の場合は均等化される。
【００５１】
それぞれの表面セグメントを機械加工するため、工具ヘッド１３とセグメント２１ａ、２１ｂなどとの間の様々なセグメントにおけるそれぞれの相対位置を設定するには、それぞれ少なくとも２つの基準が適用される。一方は、それぞれのセグメントに対して必要な基準又は最適化基準に従って作られる、それぞれのセグメントに対する個別の設定であり、他方は、境界領域における入射角α’及びβ’が均等であるか又は少なくとも差が少ないような、設定の均等化である。特に、一方の基準を使用することによって得られる結果は、他方の基準を使用することによって修正されてもよい。
【００５２】
先ず、例えば、図３に示されるように、相対位置はセグメントを単独で考慮することだけで設定されてもよく、それぞれのセグメント２１ａ、２１ｂ内において、例えば平均入射角がほぼ長方形であるという点で、関係は可能な範囲で最良である。これに関して、レーザーヘッド１３の位置１３−１及び１３−２はそれぞれ、セグメント２１ａ及び２１ｂの機械加工に対して設定される。また、遮光又は機械的衝突を回避するなど、他の基準がここで使用されてもよい。
【００５３】
次に、これらの異なる相対位置から、レーザー光線の異なる入射角α、βがセグメント２１ａ、２１ｂ間の境界領域で生じてもよい。これは、工作物が平らでない場合に特に当てはまる。次に、特定の設定が、図６に示されるように、両方の位置１３−１及び１３−２がそれぞれ１３−３及び１３−４に向かって右方向でシフトされるように修正されてもよい。このことを通して、個々のセグメント内における設定は完全に最適ではなくなるが、（好ましくは単一の断面若しくは平行な断面で見た）入射角α’及びβ’は、レーザー径の衝突ジオメトリも互いに対して均等化されて、言及したアーチファクトが低減又は回避されるように、互いに対して均等化される。
【００５４】
逆に、最初に同じ入射角α’及びβ’が境界領域内で確立され、次にこれらの設定が、それぞれのセグメント自体に関連する基準及びそれぞれのセグメントの機械加工に対する最適化に従って修正されるようにして、進行してもよい。
【００５５】
次に、様々な２つの基準の互いに対する影響を釣り合わせるための更なる評価が、一方又は他方の基準に従って、設定又は設定の修正が全体的に満足がいく結果が得られるように行われた場合に、どの程度得られ、どの程度失われるかが評価されるようにして行われてもよい。
【００５６】
これらのステップは、作業計画において前もって行われてもよい。その結果は、工作物の機械加工中に稼働するときにそれぞれのパラメータを設定する機械加工プログラムに反映されてもよい。
【００５７】
隣接したセグメントの境界領域における入射角を均等化した結果は、少なくとも１つのセグメントにおいて、通常は望ましい場合が多いように、平均入射角が最適な直角ではなく、例えば少なくとも３°又は少なくとも６°、垂直に対してシフトされた最適値以下であるようなものであってもよい。
【００５８】
入射角が考慮される限り、これらは、別の形で定義されていなければ、それぞれの境界領域における工作物表面に対するレーザー光線の入射角であってもよく、又はセグメント全体にわたる平均入射角であってもよい。角度α及び１８０°−αは同じであるものと見なされる。
【００５９】
図８は、図９に示されるような結果を得るための、図４に示されるような、セグメント境界における接続ミスを低減又は回避するための方法を示している。図面は、描写面内で垂直に通るトレースに沿った個々のセグメント内におけるアプローチを示している。ここで、最初に、レーザー及びスキャナを一緒に制御することによって、セグメント２１ａ内の全てのトレースがレーザースキャナを用いて走査される。その後、隣接したセグメントのトレースを走査することによってそのセグメントが機械加工されてもよいように、機械軸１５及び１７を使用することによって相対位置が変更される。
【００６０】
制御は、後の（第２の）相対位置において、第２のセグメントにおけるレーザーパルス衝突位置が第１のセグメントにおけるレーザーインパルス衝突位置を参照して規定された位置を有するように、特にそれらが、第１のセグメントの機械加工中の衝突位置によって規定されるグリッドに対して規定の関係を有するか、またはグリッド内にあるように、機械パラメータ（相対位置、レーザー制御など）が設定されるようにして行われる。所定のグリッド及びそれに対する接続は、一次元又は二次元であるものと見なされてもよい。
【００６１】
ここで、第１の相対位置からの工作物の機械加工が終了した後、図８に示されるように進行してもよい。ステップ８０１で、レーザーパルスが発生するようにレーザー動作を開始する。しかしながら、それらはまだシャッター（光弁）によって遮光されていてもよい。その前に、又はその後に、ステップ８０２で、先に機械加工したセグメントに隣接した新しいセグメントを機械加工するための、レーザーヘッド及び工作物の相対的位置決めが行われ、センサ制御されてもよい。ステップ８０３で、レーザーパルスの期間Ｔ内で、レーザーパルスタイミングが精密に検出される。
【００６２】
ステップ８０４で、機械的パラメータは、新しいセグメントにおけるレーザーパルスの規定の開始及び入射を得るように設定される。これらの設定は、スキャナ動作の開始時間、スキャナの加速度、レーザーの最終速度（角速度）を含んでもよい。同様に、シャッターの開放時間がここで決定されてもよい。ステップ８０５で、設定した量に従ってスキャナが開始される。所望の目標値に達すると、ステップ８０６でシャッターが開かれて、レーザーパルスが工作物表面に衝突する。
【００６３】
特に、レーザーパルス周波数が十分に制御可能でない場合、それぞれの所与のパルスタイミングは、レーザーのスイッチ投入後にステップ８０４で値を決定するための入力量として精密な位相で使用されてもよい。しかしながら、レーザーパルスの周波数及び／又は位相が制御可能な場合、これらはステップ８０４における決定の結果として設定されてもよく、後で適宜調節されてもよい。
【００６４】
設定は、所望の結果が得られるように、つまり、新しい相対位置における、即ち隣接した新しいセグメントにおけるレーザーパルスの衝突位置が、１つのグリッド寸法又は両方のグリッド寸法でできるだけ精密に、前のセグメントの機械加工によって与えられるグリッドを継続するようにして行われる。
【００６５】
ステップ８０４で、所望の設定を得るため、前の機械加工に関連するデータが、例えば前の機械加工の衝突地点を光学的に測定することによってセンサを通して獲得され、次に使用されてもよく、又は利用可能な限りにおいて、以前のセグメントにおけるレーザー制御の動作及び機械加工中に既に格納された値が使用されてもよい。このようにして、既存のグリッドに関する情報が生成されてもよい。しかしながら、理論上の機械加工位置（工作物表面に対するレーザーパルスの衝突位置）が十分な精度で実際のものに対応するように、機械加工が機械的に規定された場合、ステップ８０４の決定はまた、以前のセグメントにおける理論上の値を参照して行われてもよい。
【００６６】
このようにして、新しいセグメント２１ｂを新しい相対位置から機械加工する際に、レーザーパルスは、図４に示される誤差が回避され、図９に示される結果が得られるようにできるだけ精密に、一方又は両方の面積寸法で工作物表面上のグリッドに衝突する。
【００６７】
また、新しい相対位置で、機械加工の効果を伴わない弱い又は減衰したレーザー光線を用いた1つ以上の試運転を使用することが可能であり、その結果（レーザーパルスの衝突位置）はセンサによって検出され、検出結果に従って、設定パラメータが変更されるか、又は工作物の機械加工に対するこれらのパラメータを使用して設定される。
【００６８】
一般に、機械加工中の瞬間的に与えられる窪み（機械加工の中間結果）、又は上述の試運転中の衝突位置が、二次元又は三次元において高精度でリアルタイムで測定され、これらの測定値が、読み出すことができるように記憶手段１８ａにリアルタイムで（工作物の機械加工中に）格納されるようにして、センサ１９が提供されてもよいことが指摘される。測定は、これまでのところ機械加工された窪みの「マップ」が、そこから実際のグリッドを知るか又は決定できるような精度で格納されるように、ｘ座標、ｙ座標、及びｚ座標で高精細度で行われてもよい。
【００６９】
センサ１９は、工作物表面上におけるレーザーパルスの衝突位置を、二次元又は三次元で精密に検出するように形成されてもよい。センサ１９は、処理光を評価するか、又はカメラと同様に、評価される画像を撮影する光センサであってもよい。
【００７０】
ステップ８０２における相対的位置決めの設定は、事前定義／プログラムされたパラメータに従って行われてもよく、ステップ８０４の決定及びそれに先立つ検出は、工作物の機械加工中にリアルタイムで行われてもよい。
【００７１】
セグメント境界をできるだけ回避するため、レーザーヘッド１３及び機械軸１５、１７は同時に操作され、互いに対して調節されてもよい。単純な事例では、例えば、工作台１４の並進運動軸１５は、例えばゆっくり継続的に一方向に沿って駆動されてもよく、同時に、レーザー工具１３がスキャナ及びレーザーを適切に駆動することによって動作している。このようにして、大型の工作物も、セグメント境界の数が減少するように、一次元でセグメント境界なしに連続的に走査されてもよい。
【００７２】
その結果、セグメントは、工作物表面全体又は少なくともその一部に沿って伸びる、直線の又は屈曲した「機械加工ストリップ」であってもよい。ストリップ方向に沿った機械加工の境界はない。その結果、境界は、隣接したストリップに向かってのみ考慮すればよく、上述したように考慮に入れられる。考慮及び機械加工は、図６及び８を参照して記載したようなものであり得る。第１および第２の工作物表面セグメントの第１及び第２の工作物位置が、第１及び第２の相対位置から連続的に機械加工される場合、また境界領域において、レーザー光線が第２の相対位置とは別の確度で１つの相対位置から工作物に衝突する場合、相対位置の１つにおけるレーザーパルス衝突位置は、言及した角度の差に従って位置決めすることができ、また、特に他の設定と比べてシフト（例えば、オフセット）されてもよい。
【００７３】
特に、楕円形の衝突は楕円率が低い衝突から離れてオフセットすることができ、かつ／又は楕円率が低い衝突は楕円率が高い衝突に向かって移動させられる。これに対する定量的基準は、隣接したレーザーパルス衝突の重なり度合い又は距離であってもよい。このようにして、境界領域における重なり合い若しくは距離が均等化（より小さく）されるか、又は均等にされる。衝突位置は、セグメント境界において、また好ましくは第２のセグメントの境界領域内においても、パルス衝突の重なり合いが第１のセグメントの境界領域と同じであるように、又は他の基準が既に設定されている場合、第１のセグメントの境界領域に対して均等化されるようにして、そのように位置決めされるか又は他の決定に比べてシフトされてもよい。
【００７４】
楕円率ｏｖは、工作物表面（ほぼ楕円）上におけるレーザー光線の投射の最大径と垂直最小径の比ｏｖ＝ｄｍａｘ／ｄｍｉｎとして表現されてもよい。同様に、円形のレーザー光線断面の想定下で、やはり、式ｏｖ＝１／ｓｉｎ（α）を使用して、局所的な工作物表面に対するレーザー光線の入射角から計算されてもよい。一般に、１及び１．１５の楕円率に対応して、恐らくは垂直の入射角（９０°）及びその周辺の±３０の「比較的小さい偏差」が好ましい。しかしながら、工作物中の微細に構造化された又は著しく波形の窪み若しくは構造において、スキャナによるレーザー光線の角度偏差と併せて、楕円率ｏｖ＞１．４又はｏｖ＞２が生じ得るような、入射交点までの非常に斜めの入射角（α＜４５°、α＜３０°）が局所的に起こってもよい。
【００７５】
オフセット方向は、より大きい楕円の長軸の方向であってもよく、又は楕円の長軸により近いグリッドの方向であってもよい。
【００７６】
これによって、例えば図３ｃに示されるように、表面上のレーザー光線径の異なる投射径が重なり合わない形で配置されるという効果が得られる。図３ｃの場合、左側のセグメント２１ａにおける楕円形の衝突は、例えば、境界領域で重なり合わないように左側にシフトされてもよい。
【００７７】
図４及び９は、機械加工トレースに垂直な、又はそれと交差するセグメント境界を示している。しかしながら、同じ考察が、機械加工トレースに平行なセグメント境界にも当てはまる。境界トレースにおけるトレース距離、トレース方向、及び衝突位置は、次に、新しい相対位置からの機械加工が前の機械加工によって規定されたグリッドとできるだけ精密に合致するように、適切に設定されるであろう。
【００７８】
セグメント境界は直線状であってもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。いずれの場合も、それらは理論上の境界である。レーザーパルス衝突が区別可能な衝突のグリッドを規定すると、セグメント境界は、作業の計画及びプログラミング中に、及び／又は工作物機械加工においてリアルタイムで、個別の衝突を一方又は他方のセグメントに対して明白に割り付けることができるようにして、選ばれるか又は修正される。
【００７９】
一般に、本明細書に記載する方法は、個別に使用される必要があるだけではなく、合同で互いに組み合わせて使用されてもよいことが指摘される。
【００８０】
材料は複数層内でアブレーションされてもよい。１つの層はレーザーパルス衝突のトレースによって形成される。トレース内で、レーザーパルス衝突は連続的であって／重なり合ってもよいが、これは必須ではなく、隣接したトレースは連続的であって／重なり合ってもよいが、これも必須ではないので、層は規則的に、又はストリップ上で、又は面積をカバーする形でアブレーションされてもよい。レーザーヘッドと１つの層内の工作物との１つの相対位置において、所望に応じて完全に又はトレース方向で又は規則的にアブレーションが行われると、新しい相対位置へと進んでもよく、或いは同じ相対位置から、更に下方にある層の材料をアブレーションしてもよい。層は平面であってもよいが、上述したように、これは必須ではない。ｚシフターを使用して、焦点位置は、不均一な層が作られてもよいように、（角度を付けて若しくはｘ−ｙによって規定される）レーザーの瞬間的な偏向に依存して、ｚ方向でも制御されてもよい。
【００８１】
複数層がアブレーションされ、また各層において、セグメント化されたアプローチが行われる場合、個別の層のセグメント境界は、互いに定性的に異なるように選ばれてもよい。例えば、それらは１つの層では長方形であり、後続の層では六角形であり、更に続きの層では例えばボロノイパターンとして不規則であり、続く層では三角形であるなどであってもよい。セグメント境界は、全ての層において、不規則、例えば擬似ランダムな地点選択間のボロノイ線パターンであってもよい。
【００８２】
これは、図２では、異なる層のセグメント境界が、窪みの壁におけるアーチファクトの蓄積を回避するために並進によってのみ互いに対してシフトされるという点で、図２の既知のアプローチと異なる。記載したような、隣接した層の定性的に異なるセグメント境界は、アブレーション中も、不均等なアブレーション特性に睦び付くであろうアーチファクトが蓄積しないという効果を有する。
【００８３】
セグメント境界において不均等な入射角を回避できない場合、特に小さい入射角に対して、次の１つ以上の補償戦略又は補償ステップが取られてもよい。
【００８４】
異なる楕円率からの重なり合いが引き離すことによって回避されるように、好ましくは角度に依存して、トレースの開始時にオフセットを導入するステップ、
より大きい楕円形衝突面積において、面積当たりの導入される出力を一定に保つようにレーザー出力を増加させるステップ、
面積当たりの出力の入力を実質的に一定に保つため、衝突位置を引き離すためにトレース方向で走査速度を増加させるステップ、
境界領域における異なる衝突ジオメトリが、ビーム整形によって、特に例えば非点収差レンズ、楕円形のアパーチャなどによって、光線断面を整形することによって補償されるように、ビーム整形するステップ。
【００８５】
面積当たりの導入される出力を制御する更なる可能性は、例えば図１０ａ及び１０ｂに示されるような、工作物表面に対するレーザーの制御された焦点外しである。図１０ａは、（パルス）レーザー光線１２を放射するレーザー源７１を示している。中でも特に、光学部品の焦点長さ、及び従って焦点位置を迅速に調節することができる、調節可能な集束７３（ｚシフター）を通る。図１０ａは、工作物表面上方の高さによって変位された焦点位置１２ａを示している。７７は、振動ミラー（ガルバノミラー）を使用するスキャナを表している。
【００８６】
ミラー７７の異なる角度位置に対応して、光線１２は異なる角度αで工作物表面に衝突するので、図３ｂ及び３ｃを参照して既に説明したように、工作物表面に対する異なる光線投射径が生じる。それに対応して、面積当たりの出力が変化する。これは、角度に依存して、工作物表面の上方又は下方であるように焦点位置を制御することによって補償されてもよい。
【００８７】
特に、制御は、ほぼ垂直入射（α＝９０°＝π／２）で、工作物表面の上方又は下方における焦点１２ａの最大高さｈｍａｘが調節されるようなものであってもよい。これにより、ここでは与えられない幾何学形状の歪みが光の拡散によって補償される。より小さい入射角αでは、幾何学形状の歪みが大きくなる。それに対応して、光の拡散は、選択された角度位置、例えば９０°〜−３０°において、ゼロになってそのまま残るまで、工作物表面の上方及び下方における高さｈを小さくすることによって、より小さくなるように選ぶことができる。このように、幾何学形状の歪みは、光学ビームの拡散又は光線の狭窄によってほぼ補償することができる。
【００８８】
図１０ｂは、対応する特性を示している。工作物１１の表面の上方又は下方における焦点１２ａの高さｈは、垂直入射において最大であり、その左右で降下する。高さｈｍａｘ並びに特性の他のパラメータは両方とも、角度αの全範囲に及ぶ最大可能な全体分布が与えられるように選ばれる。高さの差ｈは、所定の機械加工プログラムの形で既に実装されていてもよく、又は角度若しくは重畳された形の他の制御パラメータに依存して、リアルタイムで設定されてもよい。
【００８９】
図７は、レーザー工具ヘッドを示している。それは図１の工具ヘッド１３であってもよい。しかしながら、いくつかの構成要素、例えばレーザー光源７１及びそれに対応する光学部品７２は、機械で使用される実際の工具ヘッド１３とは別個であってもよい。それらは共に、機械加工ヘッド１３とは別個に設けられ、機械加工ヘッド１３へとガイド又は照射され、したがってそこで光源光として利用可能であるパルスレーザー光を発生させる、光源７０を形成してもよい。
【００９０】
機械加工ヘッド１３は、ビーム整形用の構成要素及びビームガイダンス用の構成要素を備える。概して言えば、機械ヘッド１３はコントローラ１８に接続される。特に、機械ヘッド１３内のアクチュエータは、コントローラ１８からのコマンドに従って調節可能であってもよい。７７は、その面積を横切ってレーザー光線をガイドするための、交差する振動軸を備えた２つの振動ミラーを示す。それらは「スキャナ」又は「ガルバノミラー」として扱われる。７３は、レーザーの調節可能な集束、いわゆるｚシフターを表している。それは、光学部品の焦点幅、及び従って、単純化した形ではｚ方向と見なすことができる、放射方向でのレーザー光線の焦点位置１２ａを決定する。ｚシフターは、コントローラによる制御下で迅速にかつリアルタイムで変化することができ、例えばｘ及びｙに依存して焦点位置を調節することができる、高速の光学部品である。
【００９１】
７４も、非点収差効果を備えた、即ち、やはりレーザー光線をガイドする空間内の異なる面において、異なる焦点長さを有する、高速で調節可能な光学レンズである。非点収差は、例えば、コントローラによって制御される、対応するピエゾ素子若しくは他のアクチュエータなどから圧力を受け取ってもよい、感圧性の又は変形可能な光学材料を使用することによって、量及び位置の点で、高速にリアルタイムで自動調節可能であってもよい。従って、異なる集束は量及び配向の点で制御可能であり、図３ｂに示されるように、他の量を、特に表面に対する上述した投射ジオメトリを補償するために、機械のコントローラ１８によって使用されてもよい。
【００９２】
７５は、円形ではなく、それに対応してレーザー光線の部分的な遮光に結び付くであろう、レーザー断面よりも小さい開口部を備えたアパーチャを表している。それはまた、その異方性において調節可能であり、コントローラ１８からの制御作業を受けてもよい。アパーチャ７３は、モードアパーチャ、即ち周辺の放射を遮光するアパーチャであってもよい。
【００９３】
７６は、レーザー出力の急速な低減を可能にする調節可能な減衰である。それはコントローラ１８に接続される。
【００９４】
ｚシフター７３は、焦点の位置を迅速に制御するため、事実上全てのスキャナ及びレーザーヘッドに設けられる。言及した光学素子、非点収差レンズ７４、アパーチャ又はモードアパーチャ７５、及び減衰７６の１つ以上が追加して設けられてもよい。全ての要素はコントローラ１８に接続され、特に瞬間の工作物表面上におけるレーザー断面の不均等な幾何学的投射によって引き起こされる、不均一性を均等化するのに使用されてもよい。
【００９５】
この補償はリアルタイムで（工作物の機械加工中に）行われてもよく、可変に設定されてもよい。またここで、以前に格納した値、又はセンサ１９からの値が、求められる決定に対する入力量として使用されてもよい。調節性は、トレース内でも補償を行うため、レーザー光線のそれぞれの瞬間的位置に対して行われるのに十分に迅速であってもよい。例えば、レーザー光線がセグメントの一端からセグメントの他端までトレースに沿ってガイドされ、かつ入射角が７０°から９０°へ、また１１０°へ変化する場合、レーザービームの投射断面は楕円形から円形に、そして次に再び楕円に変化し、それに対応して、レンズの非点収差は、調節可能な非点収差によってレーザー断面の楕円率の設定を補償することによって、変化する楕円率が釣り合わされるようにしてガイドされてもよい。同様の考察は、言及したアパーチャ又はモードアパーチャに、また言及された減衰に当てはまる。
【００９６】
上述の特徴の多くは、ＣＮＣ機械又はプログラム可能な機械工具のコントローラの設計において表される。その限りにおいて、機械工具において上述したような方法を制御又は実行するように適合された機械コントローラも、本発明の１つの態様である。言及した様々な特徴は、ＣＮＣ機械又はプログラム可能な機械工具のコントローラで稼働する、ソフトウェアによって実装される。その限りにおいて、ＣＮＣ機械において実行時に、上述したような方法又は機械又は機械コントローラを実装する、コンピュータ可読コードを有するデータキャリアも、本発明の１つの態様である。
【００９７】
一般的な特定の値は次の通りである。
【００９８】
レーザーの種類：ファイバレーザー又は超短パルスレーザー
波長：１００〜２，０００ｎｍ、特に３００〜１，１００ｎｍ
レーザーパルス周波数  ＞２０ｋＨｚ、＞５０ｋＨｚ、＞５００ｋＨｚ、＞１ＭＨｚ、＞２ＭＨｚ、＞５ＭＨｚ
パルス周波数及び／又は振幅の調節性：「低速の」トレース方向又は「高速の」パルス方向
セグメントサイズ  ＞１０ｍｍ、＞２０ｍｍ、＞５０ｍｍ、＞１００ｍｍ
工作物上のセグメント数  ＞１０、＞５０、＞１００
垂直方向の合集入射におけるパルス衝突の直径に対応する焦点におけるレーザー径：１０μｍ〜１００μｍ
楕円率ｏｖ＝ｄｍａｘ／ｄｍｉｎ  ＞１．１，＞１．４，＞２
パルスのアブレーション深さに対応する層厚ｄ：下限１μｍ又は２μｍ、上限５μｍ又は１０μｍ
レーザーパルス出力：下限０．１ｍＪ又は０．２ｍＪ又は０．５ｍＪ、上限２ｍＪ又は５ｍＪ又は１０ｍＪ
レーザー光線の偏向：±３０以下
局所的な工作物表面に対するレーザー光線の入射角：９０°±３０°〜９０°±７０°
レーザー光線の経路速度  ＞５００ｍｍ／ｓ、＞１０００ｍｍ／ｓ、＞２０００ｍｍ／ｓ、＞５０００ｍｍ／ｓ
工作物サイズ  ＞０．１ｍ２若しくは＞１ｍ２又は＞３０ｃｍ若しくは＞１ｍ
【図１】
0006560678.tif 000002
【図２】
0006560678.tif 000003
【図３ａ】
0006560678.tif 000004
【図３ｂ】
0006560678.tif 000005
【図３ｃ】
0006560678.tif 000006
【図４】
0006560678.tif 000007
【図５】
0006560678.tif 000008
【図６】
0006560678.tif 000009
【図７】
0006560678.tif 000010
【図８】
0006560678.tif 000011
【図９】
0006560678.tif 000012
【図１０ａ】
0006560678.tif 000013
【図１０ｂ】
0006560678.tif 000014