(57)【要約】レーザ光線で層状に物質を除去して工作物にキャビティを生成するとき、キャビティの側壁をレーザ光線および／もしくは処理手段ならびに／または超音波で処理する。
2006523535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光によって物質を除去して工作物にキャビティを生成する方法において、キャビティの側壁をレーザ光および／または処理手段によって処理することを特徴とする方法。
【請求項２】
側壁は、キャビティの全深度またはその一部にわたって、および／またはキャビティの全周またはその一部にわたって処理されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
物質を層状に除去しているときには、側壁の処理をすることなく、複数の層が除去された後、側壁の処理が行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
側壁の処理は、レーザ光の出力を下げて、および／または処理位置において焦点をぼかして、および／または光案内速度を上げて、および／または単位面積あたりの入射エネルギを下げて行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
側壁の処理は、キャビティデータに従って、自動的に行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
側壁の処理は、工作物およびレーザ源の相対位置を、層状に物質を除去しているときとは異なる位置に位置付けて、行われることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
処理前に側壁を測定して、その測定値に従って処理を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
レーザ光によって物質を層状に除去することによって、工作物にキャビティを生成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
処理手段は、粒子ブラスト、および／もしくはエッチング剤であり、かつ／またはドライアイスを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
処理手段は、導管によってキャビティ付近に供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
側壁の処理中、導管の工作物に対する位置および／もしくは角度位置の調節ならびに／または案内が可能であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
導管の工作物に対する位置および／または角度位置は、キャビティデータおよび／または測定した深度データに従って、調節および／または案内が行われることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
側壁の処理中、機械は、余剰の処理手段から少なくとも遮蔽されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
側壁の処理中、余剰の処理手段は、特に吸引によって除去されることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
工作物は、レーザ光の作業域から自動的に除去され、側壁を処理する処理手段の導管付近に自動的に移動することを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
処理手段の導管は、側壁を処理するレーザ光の作業域に移動することを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
キャビティの側壁を超音波によって処理することを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の、工作物にキャビティを生成する方法。
【請求項１８】
レーザ処理手段（１３）およびレーザ処理手段に対する制御手段（３０）を含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法を実施するキャビティ生成装置において、制御手段がレーザ処理手段、またはキャビティの側壁を処理する処理手段のための供給手段（４０〜４２）を駆動するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項１９】
側壁の処理中、作業域においてレーザ光の焦点をぼかす集束手段（３２，３７）を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
側壁の処理中、レーザ出力を下げる出力制御手段（３４，３６）を含むことを特徴とする、請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
処理手段は、粒子ブラストおよび／もしくはエッチング剤であり、かつ／またはドライアイスを含むことを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
供給手段は、粒子ブラストの粒子および／もしくはエッチング剤ならびに／またはドライアイスを供給する導管（４０）を含むことを特徴とする、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも装置を処理手段から遮蔽する遮蔽手段（４３）を含むことを特徴とする、請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
余剰の処理手段を吸引によって除去する吸引手段（４４〜４６）を含むことを特徴とする、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
制御手段は、キャビティの側壁を処理する超音波手段を駆動するように構成されることを特徴とする、請求項１８〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前提部に係る工作物にキャビティを生成する方法および装置に関する。このような方法および装置は、同一出願人による国際公開第００／１９１６７号パンフレットおよび国際公開第００／１８５３５号パンフレットから公知である。
【０００２】
ここに示す方法および装置は、原型の製造および金型成形に関しており、相対的に小型で高精度に製造されるべき金型と特にキャビティとを生成する。
【０００３】
レーザ光線によってキャビティを生成する方法では、デジタル処理で保存されたデータに従って、レーザ光線の到達可能な範囲にある工作物の到達可能な表面に沿ってレーザ光線が案内される。この案内は、たとえば、蛇行して、または網掛け状に達成されてもよい。入射するレーザ光線が当たった部分の物質がそのレーザ光線によって蒸発して表面から除去されるようにレーザ出力およびその他のパラメータを設定する。このように、適切な制御の下、レーザ光線は表面から物質の層を除去することが可能であり、段階的にキャビティが生成される。レーザ光線の案内およびその他のパラメータの調節または制御は、デジタル処理で保存されたデータに従う。
【０００４】
図１Ａは、上述の処置を簡略化して示す図である。１１は、工作物の断面を示す。１２は、レーザ・ヘッド１３から出射されるレーザ光線を簡略化して示す。１７は、キャビティの現状の底部に入射したレーザ光線の位置を簡略化して示す。１８は、既に除去された各層を簡略化して示す。１９は、キャビティの所望の最終形状を破線で示す。２０は、キャビティの現状の底部、すなわち現在見えているキャビティの表面を示す。１５は、キャビティの側壁を示す。図１Ａは、側壁１５とキャビティ底部２０とを、これらの角相関によって、充分に区別できるように図示しているが、必ずしもこのようにされなくてもよい。本願の範囲内において、側壁という用語は、キャビティ底部２０よりもレーザ・ヘッド１３寄りのｚ軸上におけるキャビティ内部のレーザ光線が到達可能な表面を広く特定している。１４は、工作物の台を示す。さらに、図１Ａは、使用する座標定義を示す。この図面の平面はｘ−ｚ平面である。ｙ軸はｘ−ｚ平面に垂直（図面では対角に示す）である。したがって、レーザ光線の作業窓１０は、ｘ−ｙ平面に位置する。
【０００５】
図１Ｂは、レーザ光線によって物質を除去する間に側壁で展開される様子を拡大して示す。焦点を合わせることによって円錐状になったレーザ光線１２は、矢付２１方向のキャビティ底部２０全体に案内される。蒸発し、溶融して噴霧された物質、特に金属は、「ジェット」２３で示す。特に、噴霧された物質の一部は、再度キャビティに堆積する。このように再度堆積した物質は、参照符号１６（側壁１５上の堆積物）および参照符号２２（キャビティ底部２０上の堆積物）で示す。キャビティ底部２０上の堆積物２２は、レーザ光線が次に通過するときに修正されるので、通常、問題が生じることはなく、特に、深度制御が行われた場合には制御されたとおりに除去されるが、側壁１５上の堆積物の場合は異なる。側壁は後からレーザ光線で修正されることはないので、堆積物１６は側壁に残るだけでなく、増大する傾向にある。物質は、下（キャビティ底部２０から）から偶然に生成された最初の堆積物に噴霧されて、そこに堆積する。したがって、堆積物はキャビティ底部２０に向かって大きくなる。また、キャビティ内部に向かう方向にも、そしてキャビティの周方向にも大きくなる。その結果、この堆積物は、積み上げた円錐状である。このような堆積物は、生成されたキャビティの品質を著しく劣化させる。
【０００６】
本発明の目的は、側壁に堆積物がないキャビティの生成を可能にする、工作物のキャビティ生成に関する方法および装置を提供することである。
【０００７】
前記目的は、独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は本発明の好適な実施形態に関する。
【０００８】
本発明によれば、キャビティの側壁もレーザ光で処理する。この処理の前に側壁を測定し、その測定結果に従って側壁の処理を行ってもよく、また、事前に測定することなく「全体的に」側壁の処理を行ってもよい。
【０００９】
本実施形態において、「側壁」は、現状のキャビティ底部を除くキャビティに限定されると解されてよい。キャビティ底部という用語は、キャビティの深度の方向に物質をさらに除去するための基部である表面を規定している。
【００１０】
レーザ光線を使用する代わりに、またはレーザ光線の使用に加えて、エッチング剤または粒子ブラストなどのその他の処理手段で側壁を処理してもよく、ドライアイスおよび／または超音波を使用してもよい。
【００１１】
側壁の処理は、キャビティの全深に渡って行っても部分的に行ってもよく、キャビティの全周に対して行っても部分的に行ってもよい。
【００１２】
側壁の処理は、レーザ出力を下げて行ってもよく、かつ／あるいは、入射位置における焦点をぼかして行ってもよい。
【００１３】
側壁の処理は、特に、キャビティの生成中に現在の側壁に再度堆積した物質を除去するために行われてよいが、その他の目的のために行われてもよい。本発明に従って処理されるべき側壁は、多かれ少なかれ傾斜している。側壁の傾斜がほとんど平坦に近い場合、側壁から現状のキャビティ底部に移る部分は平滑である。側壁の処理が述べられている場合は、キャビティ底部の処理を含んでいてもよいが、側壁のみが処理されることを意味することもある。
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。
図２は、図１Ａに示す工作物に類似した工作物を簡略化して示す図である。図１に示した部分と同一の部分は、同一の参照符号で示されている。レーザ光線１２は、側壁１５に達している。レーザ光線１２の下には堆積物１６が存在していると仮定すると、堆積物１６はレーザ光線１２によって除去されて、側壁は再び本来予定した形状に戻る。
【００１５】
堆積物１６は、レーザ光線または粒子ブラスト、エッチング剤、ドライアイス、もしくは超音波などの別の処理手段で処理されると、工作物１１の原材料とは異なる特徴を有することがあると判った。特に、再堆積した物質１６は、レーザ光線１２または処理手段に対する「抵抗」が工作物１１の原材料よりも小さい。このことによって、レーザ光線１２が「完全な物質」（すなわち、工作物１１の本来の側壁１５の物質）までも除去しないように、側壁の処理を行うことが可能である。これは、たとえば、レーザ光線が高速で表面を横切るように案内して各単位面積に照射されるエネルギを下げる、またはレーザ出力を下げる、または焦点をぼかして側壁にレーザ光線を当てるなどの様々な方法で、実現可能である。後者の方法がより好ましいが、上記の方法を組合わせてもよい。焦点をぼかしてレーザ光線を当てる場合、レーザ光線で処理すべき所定の位置を焦点より内側（到達点はレーザ・ヘッド１３とレーザ光線の焦点の間）にしても、焦点より外側にしてもよい。
【００１６】
側壁を処理するレーザ光１２またはレーザ・ヘッド１３は、コントローラによって、キャビティデータに従って制御される。コントローラがキャビティデータにアクセスして、特に側壁の座標をｘ−ｙ−ｚ座標上の点のように位置付ける。
【００１７】
側壁は、キャビティの生成中に１回または複数回処理される。側壁処理のサイクルとして、たとえば、キャビティ底部２０から層が１０回除去される毎（通常はｎ≧１であるｎ回毎）に処理される。キャビティの生成終了時に１回だけ側壁を処理することも可能である。
【００１８】
側壁処理は、キャビティの全深（すなわち、キャビティ底部２０からキャビティの上縁まで）に対して行っても、一部だけに対して行ってもよい。また、周方向においても、側壁の全面を処理しても、一部のみを処理してもよい。側壁のどの部分を処理すべきかという問題は、たとえば、各側壁が堆積物を引きつける程度による。堆積物は、ほとんど平坦な部分より、大きく傾斜した壁に生成される傾向が強い。したがって、側壁の傾斜が側壁処理問題の基準となる。
【００１９】
側壁処理は、側壁が完全に処理されるように、すなわち表面を覆うように行われてもよい。しかしながら、キャビティを測定して、その測定中に側壁で堆積物が発見された部分のみを処理することもできる。この測定を行うには、レーザ処理ヘッド１３の深度センサユニットまたは外付けの測定装置を使用することができる。特に、最初のサイクルにおいて、（所望の範囲）の側壁を完全に処理して、これに対応して深度センサユニットから入手したデータを評価することができる。側壁上に大きな堆積物が存在しており、１回目の側壁処理が済んだ後でも残っていることが判った場合に、必要であれば、即座に２回目の処理を行うことも可能である。深度センサユニットは、処理光を分析して、その結果から作業深度を推定するように設計されている。
【００２０】
側壁処理中におけるレーザ・ヘッド１３の工作物１１に対する相対位置は、層状に物質を除去しているときの位置とは異なってもよい。特に、レーザ光が側壁に対して、より「垂直」になるように設定することが可能である。図２においては、レーザ光１３を右に動かすか、工作物１１を台１４と一緒に左に動かすことで実現可能である。
【００２１】
キャビティを生成する装置を図３に簡略化して示す。ここでは、レーザ光１２を出射するレーザ・ヘッド１３は、制御手段３０によって駆動される。レーザ・ヘッド１３は、レーザ３６と、集束手段（「ｚ移動装置」）３７と、偏向ユニット３８とを備え、偏向ユニット３８によって、レーザ光がキャビティ表面をｘおよびｙ方向に動かされる。これらの構成部材は、制御手段３０によって駆動される。制御手段３０はメモリ３５を含み、メモリ３５は、特に、ベクトル関係、位置関係、またはそれらを結合した方法でキャビティデータを保存できる。メモリ３５に保存したデータを参照して、ｘ−ｙ制御装置３１が偏向ユニット３８への制御信号を検出し、集束制御手段３２が集束手段３７への制御信号を検出し、出力制御装置３４がレーザ３６への制御信号を検出する。側壁処理を制御する場合、偏向制御手段３１が偏向ユニット３８を使用して、キャビティの側壁に沿ってレーザ光１２を案内する。同時に、集束手段３７は、焦点制御装置３２を使用して、特にｚ方向に焦点位置を適切に制御することによって焦点をぼかすことができ、出力制御装置３４によってレーザ３６の出力を調整してもよい。
【００２２】
粒子ブラストおよび／もしくはエッチング剤ならびに／またはドライアイスおよび／または超音波などの処理手段を使用して、側壁処理を行う方法を以下に説明する。この方法は、レーザ光で側壁を処理する代わりに、またはそれに加えて適用可能である。これに関連して、図４は、特に参照符号４０〜４６について、装置を簡略化して示す。
【００２３】
処理手段は、粒子が適切な（中間の）大きさであるサンドブラストなどの粒子ブラスト、またはＨ3ＰＯ4などのエッチング剤、および／またはドライアイスである。これらは、コンテナ４２に保管可能であり、ポンプなどの供給手段４１によって導管４０を通ってキャビティ位置まで供給される。導管４０、特にその第１開口部４０ａは、（部分的に）生成されたキャビティに挿入してもよい。
【００２４】
ドライアイス（つまり固体状態のＣＯ2）を使用する場合は、ドライアイスの粒子を含むジェット、特に気体ジェットまたは空気ジェットが、作用すべき表面または側壁に沿って案内される。ドライアイスの粒子の平均直径は、１〜４ｍｍである。処理されるべき表面に粒子が当たっている間、またはその直前に、ドライアイスが蒸発し、その放たれたエネルギによって、除去されるべき堆積物が取除かれる。
【００２５】
側壁の処理または洗浄に超音波を使用する場合、工作物を液槽に浸してもよい。超音波による処理は、それだけ個別に行っても、その他の手段に加えて行ってもよい。
【００２６】
導管４０、特にその第１開口部４０ａの工作物１１に対する相対位置（ｘ／ｙ／ｚ）および／または角度位置は、側壁処理中に調節可能であってよく、かつ／または自動的にキャビティ表面、特に側壁または側壁の一部に沿って案内可能であってもよい。この目的のために、調節手段４９は処理中に自動制御され、該当位置に沿って停止または動作を開始するように設置される。処理手段は通常、レーザ光１２よりも広い範囲に広がって作用するので、導管４０は、レーザ光よりも大まかに調整されてよい。側壁を処理する前に位置および／または角度位置を調節するか、キャビティの周囲、すなわち現在の側壁の周囲を移動させるだけで充分調節できる。
【００２７】
側壁を処理している間、少なくとも機械自体、また好ましくは工作物１１の部分も、余剰の処理手段からは遮蔽されていてもよい。このため、たとえば、遮蔽手段４３は、処理手段を少なくとも装置から遠ざけるように設置可能である。遮蔽手段４３は、鐘形または碗形であってよく、側壁処理中に工作物の表面に載置される。調節手段４９は、遮蔽手段４３の内部に設置されてよい。
【００２８】
側壁処理中、余剰の処理手段は除去してもよく、この除去は特に吸引によって行う。このため、吸引手段は、パイプ４４、ポンプ４５、および受容コンテナ４６などを含んで設置されてよい。
【００２９】
側壁を処理するために、工作物１１は、好ましくは台１４とともに、矢符４７で示すように、特に、レーザ光１２の作業域から処理手段の導管４０付近に自動的に繰り返し移動可能である。しかしながら、側壁を処理するために、処理手段の導管４０も、矢符４８で示すように、レーザ光１２の作業域内に工作物１１に向って移動可能である。
【００３０】
側壁は、キャビティの生成中に、好ましくは数回処理され、たとえば一定数の層もしくは一定量が除去される毎、または一定の壁面積が露光される毎に処理される。キャビティの生成から、工作物ならびに／または導管４０、カバー４３および吸引手段４４〜４６の適切な位置決めを含む側壁の処理への完全な切替えは、好ましくは自動的に行われる。
【００３１】
本発明に係るキャビティ生成装置は、特に、本発明に係るキャビティ生成方法を実施するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】従来の技術を示す
【図１Ｂ】従来の技術を示す。
【図２】本発明に係る方法を示す。
【図３】本発明に係る制御を示す。
【図４】側壁の処理中に処理手段を作動させるための装置を簡略化して示す図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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