(57)【要約】      （修正有）【課題】加工時間の短縮が出来る、２次元又は３次元の被加工物の表面を彫刻するためのレーザアブレーション方法を提供する。【解決手段】表面の彫刻を、連続的に機械加工される１つ又は複数の層１７．１において実施し、この際、機械加工すべき所定の前記層の少なくとも１つを、レーザビームによって順次に機械加工されることが意図された２つ又は３つ以上のパッチ１１に分割する。本発明によれば、少なくとも１つのパッチ１９の境界線１８を、前記層上における、レーザ機械加工ヘッドのレーザビーム彫刻による影響を受けない通路に沿って追従するように画定する。【選択図】図１０ｄ
2016137522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テクスチャ（１６）を有する２次元又は３次元の被加工物の表面（７）を、レーザ機械加工ヘッド（１）のレーザビーム（２）によって彫刻するためのレーザアブレーション方法であって、
前記表面の彫刻を、連続的に機械加工される１つ又は複数の層（１７．１，１７．２）において実施し、
この際、機械加工すべき所定の前記層（１７．１，１７．２）の少なくとも１つを、前記レーザビーム（２）によって順次に機械加工されることが意図された２つ又は３つ以上のパッチ（１１）に分割する、
レーザアブレーション方法において、
少なくとも１つのパッチ（１９）の境界線（１８）を、前記層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）上における、前記レーザ機械加工ヘッド（１）のレーザビーム（２）彫刻による影響を受けない通路に沿って追従するように画定し、
好ましくは、前記パッチ（１９）の前記境界線（１８）が、閉じられた線を形成する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記レーザ機械加工ヘッド（１）は、前記層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）上における、前記レーザビーム（２）による影響を受けない通路に沿って追従する境界線（１８）が設けられるように画定された各パッチ（１９）において、前記被加工物の表面（７）上の２つ又は３つ以上の層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）を連続的に彫刻し、その後、前記レーザ機械加工ヘッド（１）を、別のパッチ（１１，１９）を機械加工するために再位置決めする、
請求項１記載のレーザアブレーション方法。
【請求項３】
１つの層（１７．１）の全てのパッチ（１１）が機械加工されると、機械加工すべき後続の層（１７．２，１７．ｘ）を、再び新しいパッチ（１１，１９）に分割し、
当該後続の層（１７．２，１７．ｘ）上において、前記新しいパッチ（１９）の境界線（１８）を、当該後続の層（１７．２，１７．ｘ）上における、前記レーザ機械加工ヘッド（１）の前記レーザビーム（２）彫刻による影響を受けない通路にできるだけ沿って追従するように画定する、
請求項１又は２記載のレーザアブレーション方法。
【請求項４】
テクスチャ（１６）を有する２次元又は３次元の被加工物の表面（７）を、レーザ機械加工ヘッド（１）のレーザビーム（２）によって彫刻するためのレーザアブレーション方法であって、
前記表面の彫刻を、２つ又は３つ以上の層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）において実施する、
レーザアブレーション方法において、
新しい層をパッチ（１１，１９）に分割すべき時には毎回、請求項１又は２に記載のレーザアブレーション方法を適用する、
レーザアブレーション方法。
【請求項５】
前記レーザビーム（２）彫刻による影響を受けない境界線（１８）を有するように画定されたパッチ（１９）を、当該パッチ（１９）によって画定された前記被加工物の表面（７）上で、予め定められた層数ｌｍの層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）がレーザアブレーションによって連続的に機械加工されるように機械加工し、
好ましくは、前記予め定められた層数ｌｍは、前記被加工物の表面（７）上に前記テクスチャをレーザ彫刻するために設けられた予め定められた合計層数ｌtotalよりも少ない、
請求項１から４のいずれか１項記載のレーザアブレーション方法。
【請求項６】
前記被加工物の表面に彫刻すべき前記テクスチャを、グレーレベルイメージ（１６）によって規定し、
当該イメージ（１６）における各グレーレベルは、前記被加工物の表面（７）にアブレーションすべき所定の深さに対応し、好ましくは、各グレーレベルは、所定の層（１７．１，１７．２，１７．ｘ）に対応する、
請求項１から５のいずれか１項記載のレーザアブレーション方法。
【請求項７】
テクスチャを有する被加工物の表面（７）をレーザアブレーションによって彫刻するために意図された、レーザ機械加工ヘッド（１）を有する工作機械工具のためのソフトウェアであって、
前記ソフトウェアは、請求項１から６のいずれか１項記載の方法に基づいて、前記被加工物の表面（７）上における前記テクスチャの彫刻を制御する、
ことを特徴とするソフトウェア。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項記載のレーザアブレーション方法を適用するレーザ機械加工ヘッド（１）を備える、レーザアブレーションのための工作機械工具。
【請求項９】
請求項７に記載のソフトウェアが実装された、レーザ機械加工ヘッド（１）を備えるレーザアブレーションのための工作機械工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に基づくパッチ最適化によるレーザアブレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物をレーザアブレーションによって機械加工するための工作機械は、一般的に公知である。例えば欧州特許出願公開第２３０１７０６号明細書は、このような装置に関して考えられる技術構成を記載している。
【０００３】
被加工物をレーザアブレーションによって機械加工するためのこのような工作機械に関して考えられる配置構成を図１に示す。図示された工作機械のレーザヘッド１は、５つの機械軸と共に機能し、レーザ焦点の位置決めと、工作機械の内部に配置される３次元の固体の被加工物（図示せず）の表面に放射されるレーザビームの方向付けとを可能にする。例えば被加工物ホルダや、図１に示すような、３つの軸（デカルト座標系のＸ，Ｙ，Ｚ）で線形に可動するレーザヘッド等のような、いくつかの機械構成が考えられる。好ましくは、高い正確性とフレキシビリティを可能にするために、被加工物ホルダ又はレーザヘッドはさらに、２つの回転軸上にて高精度で回転することができる。
【０００４】
図２は、被加工物をレーザアブレーションによって機械加工するための可能なレーザヘッドを示す。図示された工作機械のレーザヘッド１は、特に該レーザヘッド１の回転移動を可能にするアクチュエータと、レーザ源と、光学系と、いわゆるガルバノメータモジュールとを含む。このようなガルバノメータ１３の概略的な構造及び機能原理は、図３に図示されている。レーザ源３は、レーザビーム２（実際にはレーザビームパルス）を放出する。このレーザビーム２は、Ｘ軸ミラー４とＹ軸ミラー５とによって偏向され、Ｆθレンズ６、又は動的な像面補正機能を備えるレンズを通過した後、被加工物７に到達する。これによってビーム２を、選択された焦点距離に対応する表面を有する平面上に移動させることができる。従来技術では、焦点距離は最大で４３０ｍｍである。レーザアブレーションのためのこのような工作機械の構造に関するさらなる詳細については、上述した欧州特許出願公開第２３０１７０６号明細書が参照される。
【０００５】
以下に説明されるレーザアブレーションを適用するために、公知のシステムによれば、平坦な被加工物７上に、４３０レンズの場合には最大で３００×３００ｍｍの、レーザビームに対するいわゆる彫刻範囲又はマーキング範囲を実現することができる（図３を参照）。しかしながら、湾曲した被加工物の表面上では、レーザ彫刻範囲は、図３に図示されたような光学系によってレンズの焦点合わせ能力に応じて制限されうる。通常は、図３に図示されたような光学系の焦点合わせ能力により、使用される焦点レンズに応じて０．３ｍｍの範囲でｚ軸上での（像）平面のシフトが可能となる。この数値は、レーザ彫刻のためのいわゆる“加工深さ”を規定する。被加工表面が湾曲している場合であって、かつ、レーザの加工深さが被加工物の表面の比較的深い部分に到達するために充分でない場合には、この比較的深い部分を、処理すべき新しいパッチを作成することによってさらなる別のプロセスにおいて加工する必要がある（従って、機械加工ヘッドの再位置決めが必要となる）。もちろん、ｚ軸上における約０．３ｍｍという非常に制限された焦点深さを使用しても、このような（２次元の）ガルバノメータを用いて３次元の形状を彫刻することは不可能ではない。しかしながら、３次元の被加工物の表面７上に３次元の形状をテクスチャ付けするためには、必要となるパッチの数が増加するので、このような機械加工のためにはより多くの時間がかかってしまう。
【０００６】
加工深さに関するこのような制限を克服するために、他方では、光学系にｚ軸のための“ズーム”（フォーカスシフタ）を設けることが可能かつ公知であり、これによって、レーザ彫刻範囲と加工深さとを最大で±８０ｍｍシフトさせることが可能となる。このような光学系は、以下の図３ａに図示されている。この光学系は、いわゆるレーザｚフォーカスシフタ１２を含む。レーザｚフォーカスシフタ１２によって、ｚ軸上において最大で±８０ｍｍの深さを有する範囲を彫刻することが可能となる。その結果、被加工物の表面７又は彫刻範囲を３次元に（例えば図３ａに図示されるような湾曲形状に）することができる。レーザｚフォーカスシフタを使用しても、さらなる別のパッチを機械加工するためにレーザヘッドを別の位置に再位置決めすることは回避されない。それでもなお、これによって、被加工物の表面７を機械加工するために必要なパッチ１１の数は格段に低減され、その結果、レーザヘッド１を再位置決め（機械加工されるパッチ１つにつき１回の再位置決め）する回数もまた、格段に低減される。
【０００７】
被加工物の表面を彫刻するため又はテクスチャ付けするためには、被加工物の表面を少なくとも２つの（実際には多数の）いわゆるプロット又はパッチに分割することが一般的である（なぜなら、その必要であるからである）。
【０００８】
被加工物の表面を彫刻するために使用されるレーザアブレーション方法は、被加工物の表面上の（通常は金属製の）材料を昇華させることによって機能する。レーザアブレーション加工は、表面構造を一層ずつ加工する複数回のプロセスステップで実施される。被加工物の表面を一層ずつ加工するということは、制限された厚さまでしかレーザビームによって表面をアブレーションすることができないという単純な事実に因るものである。実際には、レーザは、１回で１〜５μｍの材料を除去することができる。典型的には金属製である被加工物をレーザアブレーションによってテクスチャ付け又は彫刻するためには、通常は、被加工物の表面上における２０〜１００回（又は層）での加工が必要となる。３Ｄモールドの表面上に所期の構造を形成するため又はテクスチャ付けするために使用される原理は、例えば独国特許出願公開第４２０９９３３号明細書に記載されている。この方法は、“光造形法の逆”であると見なすことができる。すなわち、例えば欧州特許出願公開第１１８９７２４号明細書及び国際公開第００７４８９１号に充分に説明されているように、層を積層して造形するのではなく、材料を一層ずつ昇華させるのである。これらの層は、レーザビームによって３Ｄモールド表面の最上部から最下部へと機械加工される。
【０００９】
図３ｂは、被加工物の表面又は所定のパッチ１１をレーザビームによってアブレーションするために使用される公知の方法を概略的に図示している。レーザヘッド（図示せず）によってレーザパルスが放出され、これらのレーザパルスは、ガルバノメータの２つ又は３つ以上のミラー８において偏向され、被加工物の表面のパッチ１１に衝突する（上述したように、被加工物の表面は、一般的にパッチと呼ばれる所定の複数の領域に分割されている）。レーザパルスが表面に衝突した場所で、材料が蒸発する。連続的に放出されるレーザパルスを含むレーザビーム２は、ガルバノメータのアクチュエータ及びミラーにより、一般的に使用されるベクタ方式（vector-like manner）で所定の経路上で移動され、パッチ１１の境界によって画定された被加工物の表面上に、平行に配置された微細な波形構造（図３ｂの平行な配列を参照）を形成する。この波形構造は、表面から材料を昇華させることによって形成される。材料のアブレーションが生じる深さは、典型的には１〜５μｍの範囲に達する。厚い層のアブレーションは、技術的には可能であるが、品質上の理由から通常は望ましくない。より深く彫刻する場合には、要求された結果を得るために、より多くの層において（連続的に処理される２０〜１００個の層において）アブレーションすることが好ましい。被加工物の表面を処理するために、レーザビームは常に、図３ｂに図示されたパッチ１１上で所定の平行なベクトルに沿って移動し、パッチ１１の境界にくると次の位置へとジャンプする。表面上にテクスチャ又はレリーフを形成するために、材料を昇華させる必要がない時にはレーザパルスは必ずスイッチオフされる。これは、被加工物上の所定のパッチをレーザによってテクスチャ付け又は彫刻するために一般的に使用される公知の方法である（ベクタ方式の加工処理と呼ばれる）。残念ながらこの方法によれば、図３ｃの写真から見て取れるように、パッチの縁部に可視の境界が形成されてしまう。ここでは、三角形のパッチの境界がはっきりと見て取れる。他方で、この写真には、一般的に使用されるベクタ方式のアブレーションの軌跡も示されている。パッチ１１の境界によって画定された被加工物の表面上に、平行に配置された典型的な微細な波形構造が良好に見て取れる（図３ｃの平行な配列を参照）。
【００１０】
例えば図３ｃに図示されている可視の境界は、明らかに望ましくない。形成されたパッチの境界の可視性を低減するための種々の方法が公知であり、以下に説明する。
【００１１】
軌跡を低減するためには、例えばアブレーションプロセスを一層ずつ実施し、ある１つの層の全ての所定のパッチを加工した後、次の層の処理へと移行することができる。この場合には、後続の層のパッチ境界は変更され、これによって、パッチ境界の上に別のパッチ境界が載置されることが回避され、複数の可視の軌跡が形成されることが回避される。パッチ境界の変更は、図４に図示されている。図４の左図及び右図は、連続する２つの層１７．１及び１７．２を表す。図示されているように、後続の層１７．２（右側の図）におけるパッチ１１の所定のパッチ境界は、先行の層１７．１におけるパッチ１１と比較して異なる形状を有する。
【００１２】
このようなレーザアブレーションプロセスのための専用の工作機械制御システムは、−例えば５自由度で移動可能な−レーザヘッドを、必要に応じて適切に被加工物の表面の近傍で、パッチが最適に処理可能となるように正確に位置決めする。
【００１３】
加工すべき固体の被加工物の３Ｄ表面のコンピュータファイルモデリングは、メッシュファイルである（図５を参照）。工作機械制御システムは、被加工物の表面の３次元座標をデジタル形式で取得し、レーザヘッドによって局所的かつ部分的に彫刻するためにこの情報を使用する。
【００１４】
アブレーションすべきテクスチャはさらに、ソフトウェアによって適用又は処理されて、被加工物のモデル化された３Ｄ表面のメッシュファイルにされる。ソフトウェア及びレーザアブレーションによる表面テクスチャの適用は、従来から使用されている物理めっきに比べて多くの利点を有する。ソフトウェアによるモデル化された３Ｄ表面の彫刻又はテクスチャ付けはよく知られており、これによって特に、従来の物理めっきプロセスであれば被加工物の強く湾曲した表面部分の上に不可避にも発生したであろう構造体の可視の歪みを、補正することが可能となる。ソフトウェアは、適用すべきテクスチャのクリティカルな表面部分を適切に歪ませる又は伸ばすことができ、これによって良好な結果を獲得することができる（図６ｂ）。
【００１５】
例えば、既に述べた国際公開第００７４８９１号（欧州特許出願公開第１１８９７２４号明細書）には、複数の層を部分毎にアブレーションすることによって、３次元の被加工物の表面上にイメージ又はテクスチャを３Ｄレーザ彫刻するための公知の方法が記載されている。
【００１６】
殆どの場合、被加工物の表面上に３次元のテクスチャを実現するためには、上述したように複数の層を用いて加工する必要があり、さらには、被加工物の曲率に応じて、かつ、所要の機械的精度に応じて、かつ、レーザヘッド及びレーザヘッドの光学系によって与えられる他の加工範囲特性（焦点距離、場合によりｚ軸上のフォーカスシフタの使用による）に応じて、各層の表面を複数のパッチに分割する必要がある。通常、パッチの寸法は、１７５×１７５ｍｍを超えない。
【００１７】
被加工物の表面をこのように複数のパッチに分割する例は、図７ａ及び７ｂに図示されている（この場合には図５は、この被加工物の３Ｄ表面に対応するメッシュファイルを表す）。２つの図７ａ，７ｂは、被加工物の表面の実際の１つの層を示し、この被加工物の表面は、複数の平面パッチ１０からなる。図７ａ及び７ｂの平面パッチ１０は、実際にはソフトウェアによって生成され、現実の３次元の被加工物の表面上に適用すべき３次元のテクスチャのそれぞれの平面投影を含む。被加工物上に適用すべきテクスチャを平面パッチ１０上に投影するためには、光学的歪みの発生を考慮しなければならない。対応する平面パッチ１０の被加工物の表面は、多くの場合、必ずしも平面である必要はない。ソフトウェアは、平面パッチ１０を画定するために、この光学的に重要な詳細を考慮する必要がある。３次元のテクスチャを複数のパッチに分割することに関するさらなる詳細は、国際公開第２００５／０３０４３０号に記載されている。
【００１８】
レンズによって許容される加工深さ（最大で±８０ｍｍ）は、実際には、被加工物の表面上において機械加工すべき実点と、平面パッチ１０上におけるその投影点との間で可能となる最大距離に相当する（図７を参照）。この距離がレーザ装置の可能な加工深さを超えている場合には、ソフトウェアによって新しい平面パッチ１０を画定する必要があり、実際には、この新しいパッチの処理には、レーザヘッドの１の新たな位置合わせも必要となる。
【００１９】
ソフトウェアは、機械加工すべき、３次元の、各層ごとに、所与の技術的要件に応じて新しい適切な平面パッチを計算及び画定する。ソフトウェアはもちろん、（プロセッサのメモリにメッシュファイルとして記憶されている）被加工物の表面の実際かつ現実の３次元形状と、被加工物の表面上に適用すべきテクスチャとを常に検討している。
【００２０】
従来技術によれば、レーザビームは、一層ずつ処理を実施し、それぞれの層においては、レーザヘッドの再位置決めによってパッチ表面ごとに処理を実施する。被加工物をこのようにアブレーションすることによって、最終的に、表面上に所期のテクスチャを有する機械加工された被加工物が得られる。
【００２１】
被加工物の表面上に適用又は彫刻すべきテクスチャは、典型的にはグレーレベルイメージとして規定される。図８は、このようなグレーレベルイメージ１６を示す。３次元のテクスチャを表したグレーレベルイメージ１６は、複数の個々の点によって構成されており、この点の深さが、当該点の対応するグレーレベルとして規定されている。点が明るくなるにつれて、この特定の点におけるテクスチャの深さは小さくなる。点が暗くなるにつれて、この特定の点におけるテクスチャの深さは大きくなる。好ましくは、グレーレベルの数は、適用される層の数に相当しており、それぞれの層が１つの特定のグレーレベルによって表わされる。従って、各層ごとに、或る特定の点に対してアブレーションを行う必要がない場合に、又は、その層の機械加工中ではない時に、１つのグレーレベルが規定される。すなわち、グレーレベルイメージ１６上における或る１つの点が、処理済みの特定の層のグレーレベルの明るさ以下である場合には、当該点に対してアブレーションを行う必要がある。グレーレベルにおける或る１つの点が、この特定の層のグレーレベルよりも明るい場合には、当該点をアブレーションしてはいけない（当該特定の層の機械加工中にも、後続するいかなる層の機械加工中にも）。従って、白色の点又は領域は、深さを有さないテクスチャ表面の点又は領域を表す（図８には図示せず）。つまり、その位置におけるテクスチャは、（機械加工されない）表面に対応し、この位置でレーザアブレーションを行うべきではない。
【００２２】
上述したように、表面を複数の部分にセグメント分割することによって被加工物をアブレーションするという従来の方法では、各パッチの境界に軌跡が残ってしまうことが多い。ベクタ方式によるレーザビームの移動によって形成された波形構造（図３ｃを参照）では、各パッチの境界自体における波形構造の端部において軌跡が残る。（厳密に同一のパッチ境界を有する）隣り合うパッチ同士を機械加工する場合には、追加的なオーバーラップ効果の発生によって状況が悪化する。パルスによって材料が二重に除去されるか、又は、隣り合う２つのパッチの各境界が完全には一致せずに相互にわずかに離間している場合には、境界において除去される材料が減少する。いずれの場合でも、画定された各パッチの境界上に、望ましくない可視の境界線が生じる結果となる。
【００２３】
被加工物の全てのパッチを機械加工しつつも可視の境界線の形成を低減する方法は、欧州特許出願公開第１１７４２０８号明細書に記載されている。この明細書では、隣り合う２つのパッチ同士の間に所定のオーバーラップする領域を設けることによって境界線の形成を低減している。このオーバーラップする領域では、オーバーラップしている両方のパッチを機械加工することによって、材料の除去が実施される。選択されたこのアプローチの結果、ベクタ方式で移動されるレーザビームによって形成される境界線の軌跡がぼかされるはずである。
【００２４】
それにもかかわらず、欧州特許出願公開第１１７４２０８号明細書で開示されたこの方法でさえ、常に満足のいく結果が得られるわけではない。例えば４つのパッチがオーバーラップしている角領域（例えば欧州特許出願公開第１１７４２０８号明細書の図２を参照）では、得られた結果は必ずしも満足のいくものではない。さらには、パッチごとに機械加工している間に、それぞれのパッチがそれぞれ異なる光レンダリングを有する可能性がある。このことは問題となるおそれがある。なぜならこの反射は、機械加工された材料上においても、被加工物がモールドである場合にはモールドされた被加工物上においても可視となるからである。この方法を適用する場合には、隣り合うパッチのベクトル同士が続いていなければならない（つまり、それぞれのベクトルを直線にすべきであり、かつ、隣り合うパッチ同士を貫通して続くようにすべきであり、又は、一方のベクトルをそれぞれ他方のベクトルと一直線に整列させるべきである）という別の限界がある。
【００２５】
欧州特許出願公開第１１７４２０８号明細書で開示されたこのプロセスは、今日まで公知の他の全てのプロセスと同様に、図３ｂに図示されたようなベクタ方式のアブレーション方法と共に機能する。これが、被加工物の表面をレーザアブレーションによって彫刻又はテクスチャ付けするための通常の公知の方法である。欧州特許出願公開第２６４７４６４号明細書も、パッチ同士の間の境界線の形成を低減するための方法を開示しており、このことは、ベクタ方式のアブレーションによって生成される平行に配置された波形を用いる代わりに、ランダムに設定された機械加工点によって点状に表面をアブレーションすることによって解決される。
【００２６】
公知の全ての方法では、機械加工すべきそれぞれのパッチごとに、レーザヘッドを再位置決めする必要がある。
【００２７】
テクスチャ付けされる表面上における境界線の軌跡を低減するという課題は、今日では、上述した従来技術によって提供される手段によって解決されている。今日では、これらの軌跡を低減するために、多数の連続した層を機械加工する必要があるが、各層ごとに、新しいパッチを機械加工しようとする時には毎回、レーザヘッドを再位置決めしなければならない。従って、従来技術によって提供される手段には、依然として改善の余地が残されている。すなわち、境界線の軌跡の低減が必要とされればされるほど、今日の公知の解決手段による機械加工プロセスはより面倒かつ時間がかかるものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２３０１７０６号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第４２０９９３３号
【特許文献３】欧州特許出願公開第１１８９７２４号明細書
【特許文献４】国際公開第００７４８９１号
【特許文献５】国際公開第２００５／０３０４３０号
【特許文献６】欧州特許出願公開第１１７４２０８号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第２６４７４６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従って、本発明の課題は、境界線の軌跡の形成が回避されるとともに、テクスチャ付けされた被加工物の表面を形成するために必要な機械加工時間が短縮されるような、新しいレーザアブレーション加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の課題は、独立請求項１の特徴部分に記載された構成に基づく、２次元又は３次元の被加工物の表面を彫刻するためのレーザアブレーション方法を提供することによって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】被加工物をレーザアブレーションによって機械加工するための工作機械に関して考えられる配置構成を示す。
【図２】被加工物をレーザアブレーションによって機械加工するための可能なレーザヘッドを示す。
【図３】ガルバノメータの概略的な構造及び機能原理を示す。
【図３ａ】レーザｚフォーカスシフタを含む光学系を示す。
【図３ｂ】被加工物の表面又は所定のパッチをレーザビームによってアブレーションするために使用される公知の方法を概略的に示す。
【図３ｃ】パッチの縁部に可視の境界が形成されていることを示す写真である。
【図４】パッチ境界の変更を示す。
【図５】被加工物の３Ｄ表面に対応するメッシュファイルを示す。
【図６】被加工物のモデル化された３Ｄ表面のメッシュファイルを示す。
【図７】被加工物の表面を複数のパッチに分割する例を示す。
【図８】被加工物の表面上に適用又は彫刻すべきテクスチャを、グレーレベルイメージとして示す。
【図９ａ】被加工物の表面上にアブレーションすべきテクスチャを、グレーレベルイメージとして示す。
【図１０ａ】被加工物の表面上にアブレーションすべき第１の層を示す。
【図１０ｂ】被加工物の表面上にアブレーションすべき第２の層を示す。
【図１０ｃ】被加工物の表面上にアブレーションすべき第３の層を示す。
【図１０ｄ】被加工物の表面上にアブレーションすべき第４の層を示す。
【図１０ｅ】被加工物の表面の全体を、本発明に係るパッチに分割可能なことを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明に係るレーザアブレーション方法の適用は、決定的な利点を提供する。パッチを画定する境界線が如何なる彫刻も施されないように、又は機械加工による影響を受けないように、当該パッチを画定することが可能である場合には、当該パッチの機械加工中に、上述した望ましくない境界線１４（例えば図３ｃを再度参照）は、形成されなくなるであろう。当該パッチの彫刻中には、画定された上記の境界線は機械加工されずに、変更されることなく初期形状のまま維持されるので、当該パッチの境界線の可視の軌跡は形成されなくなる（図３ｃの可視の境界線１４と比較のこと）。従って、当該パッチの複数の層を、又は全ての層さえをも、連続的に機械加工することが可能となり、その間には、機械加工ヘッドの再位置決めが必要となる他のパッチを機械加工する必要はない。
【００３３】
本発明によれば、１つの境界線によって画定された１つのパッチは、たった１回のステップ又はたった１つのコートにおいて機械加工することが可能ではあるが、品質上の理由から、このような１つのパッチの機械加工を、複数回のステップ又は少数のコートに分割することがより有利であろう。
【００３４】
例えば、公知のレーザアブレーションプロセスを用いた場合に、機械加工すべき被加工物の表面上に合計で３７個の層（ｌtotal）を規定する必要がある場合には、このことはつまり、画定された各パッチにつき、レーザ機械加工ヘッドが３７回再位置決めされることを意味する。本発明に係る新しいアブレーション方法を用いた場合には、テクスチャ付けプロセスは、たった４つのコートの画定によって完了することができ、この場合には、各コートは、連続的に機械加工される予め定めることができる層数ｌｍの層を含む。画定された各コートのｌｍ個の層の合計が、結果として、設けられた層の合計数ｌtotalにもなる（この例では３７個の層）。被加工物の表面７を機械加工するために、依然として合計３７個の層が必要ではあるが、各パッチにつき、たった４回のレーザヘッドの再位置決め移動しか必要とされない。ここで、被加工物が合計で６０００個のパッチからなると仮定した場合には、本発明に係る方法は、たった２４０００回（＝４個のコート×６０００個のパッチ）の機械加工ヘッドの再位置決めの移動からなる。しかしながら、従来のレーザアブレーションプロセスであれば、機械加工ヘッドの再位置決めは、合計２２２０００回（＝３７個の層×６０００個のパッチ）の個々の移動からなっていたことだろう。本発明に係るレーザアブレーション方法を適用することによって、機械加工ヘッドの移動を格段に、約１０分の１に低減することが可能となる。従って、テクスチャ付けすべき被加工物の機械加工にかかる時間は、従来のアブレーション方法に比べて最大で４分の１まで短縮されるのである。従って、本発明によれば、機械加工の効率が格段に向上する。
【００３５】
本発明に係るレーザアブレーション方法は、さらなる利点を有する。なぜなら、本発明に係るレーザアブレーション方法は、必ずしもレーザテクスチャ付けの最初の時点から適用する必要はなく（たとえ望ましくても）、１つの新しい層を複数の新しいパッチに分割するときにはいつでも適用することができるからである。このことは、非常に重要な利点である。なぜなら、本発明によれば、新しい層を機械加工するたびに、さらなるパッチを作成するための新たな可能性が与えられうるからである。この事実は、図９及び１０に図示されており、以下に説明する。
【００３６】
図９ａは、図８に関連して既に説明したようにグレーレベルイメージ１６を示す。従って、図９ａのグレーレベルイメージ１６は、被加工物の表面上にアブレーションすべきテクスチャを表しており、これによって、被加工物の表面を機械加工するために画定される各層ごとにアブレーションすべき表面点を表している。他方で、図１０ａ〜１０ｄは、規定された最初の４つの層を図示しており、これらの層は、図９ａに基づくグレーレベルイメージ１６のテクスチャを適用するために処理される。１つの層の全ての点は、基本的に、レーザビームによってアブレーションされるか、又はアブレーションされないかのいずれか一方とすることができるので、図９ａのグレーレベルイメージは、規定された各層ごとに黒色又は白色の情報に変換される。つまり、アブレーションすべき層の点／領域は、黒色でマーキングされ、アブレーションすべきでない点／領域は、白色でマーキングされる。図１０ａ〜１０ｄは、被加工物の表面７上にアブレーションすべき最初の４つの層に相当し、従って、黒色又は白色の情報、若しくは“デジタル”情報のみを含む。図１０ａは、例えばこの第１の層の全ての点をアブレーションする必要があることを示している。機械加工すべき第２の層（図１０ｂに相当）においては、白色の領域又は点は、機械加工／レーザアブレーションされない。処理すべき第３の層を表した１０ｃにも同じことが当てはまることは明らかである。これらの図１０ａ，１０ｂ，及び１０ｃから見て取れるように、これらの層上においては、レーザビームによる影響を受けない／機械加工されない通路に追従する境界線を有するパッチを画定することは不可能である。実際に、図１０ａ，１０ｂ，及び１０ｃに図示された白色の領域同士は、互いに接続されていない。従って、これら最初の３つの層におけるパッチの画定は、本発明に基づいて実施することはできないが、従来技術を利用して従来通りに画定される（つまり、従来技術に基づいて、各パッチに各層ごとに異なる境界線を設け、１つの層の全てのパッチを一度だけ機械加工することによる）。
【００３７】
しかしながら、図１０ｄに図示された第４の層の場合には状況が変化し、ここで初めて本発明に係る方法を適用することが可能となる。すなわち、図１０ｄの図示された層１７．１では、境界線１８の形成が可能である。これらの境界線１８は、当該層１７．１上における、レーザ機械加工ヘッドのレーザアブレーション又はレーザビーム彫刻による影響を受けない通路に沿って追従するように画定される。
【００３８】
各パッチ１９のこれらの特徴的な境界線１８は、好ましくは、各パッチ１９の周囲に閉じられた線を形成する。従って、図１０ｄにおける、本発明に係る境界線１８を備える作成された各パッチ１９は、隣り合う他のパッチとは別個に機械加工することが可能となる。なぜなら、これらのパッチの境界は、如何なる他のレーザアブレーション又は機械加工による影響をも受けない通路を追従しているからである。本発明に係る各境界線１８によって画定されたこれらのパッチ１９の境界は、これらのパッチのレーザ機械加工中に（可視の）境界軌跡が作成されないという結果的な特性を有する。従って、図１０ｄの画定されたパッチ１９を、後続して処理される複数の層において機械加工することができる。このことはつまり、層１７．１においてこれらのパッチ１９のうちの１つを機械加工した直後に、別のパッチ１１又はパッチ１９の機械加工のためにレーザヘッドを再位置決めする前に、次の層１７．２，１７．３，１７．４等の機械加工が行われるということを意味している。本発明に基づく境界線１８によって画定されたパッチ１９が規定している、被加工物の表面領域を、とりわけ境界軌跡の形成を憂慮することなく、当該表面領域のテクスチャが完全に適用されるまでレーザアブレーションによって機械加工することが可能となる。
【００３９】
最終的にテクスチャ付けされたこれらの領域はこれ以上機械加工されないが、その一方で、他のパッチ又は領域には、依然としてレーザテクスチャ付けが施されうるということは自明である。既に上に述べたように、１つのパッチ１９を１回のステップで仕上げる代わりに、１つのパッチ１９のレーザアブレーション加工全体を少数のコートに、つまり数回に分割することが可能であり、またその方が望ましいこともある。これによって表面のテクスチャ付けが、被加工物の表面上でより均一に適用されるようになる。例えば、レーザアブレーションされた表面領域の発生熱が、より均一に分布される。
【００４０】
注目すべきことに、本発明は、従来の公知のレーザアブレーションプロセスと組み合わせることも意図される。実際には、１つの層の表面全体が、初期段階において、特徴的な境界線１８を有する本発明に係るパッチ１９へと分割可能となることはまれである。殆どの場合、特徴的な境界線１８を有する本発明に係るパッチ１９の画定は、レーザアブレーション／レーザ彫刻プロセスによって部分的又は完全な影響を受ける境界線を有する従来のパッチ１１の作成と組み合わせられる。この種の組み合わせは、図１０ｄにも図示されている。層１７．１には、従来のパッチに分割すべき領域も含まれており、この領域には、従来の方法（つまり、各層ごとに異なるパッチ境界を用いて一層ずつアブレーションする方法）によってレーザテクスチャ付けが適用される。
【００４１】
次の図１０ｅに図示されているように、レーザテクスチャ付け全体の或る１つの段階において、ここでは加工すべき層１７．ｘとして例示されている被加工物の表面の全体を、本発明に係るパッチ１９へと分割することが可能となる（上記の領域は、かつては従来のパッチ１１に分割すべきであった領域であって、かつ、従来の方法でレーザアブレーションすべきであった領域でもある）。
【００４２】
本発明に係るレーザアブレーション方法は、テクスチャを有する２次元又は３次元の被加工物の表面を、レーザ機械加工ヘッドのレーザビームによって彫刻するために意図されている。前記表面の彫刻は、連続的に機械加工される１つ又は複数の層において実施され、この際、機械加工すべき所定の各層は、レーザビームによって順次に機械加工されることが意図された１つ又は複数のパッチに分割される。本発明は、少なくとも１つのパッチの境界線が、機械加工すべき前記層上における、前記レーザ機械加工ヘッドのレーザビーム彫刻又はアブレーションによる影響を受けない通路に沿って追従するように画定されることを特徴としている。好ましくは、前記パッチの前記境界線は、閉じられた線を形成する。
【００４３】
本発明に係るレーザアブレーション方法は、前記層上における、前記レーザビームによる影響を受けない通路に沿って追従する境界線が設けられるように画定された各パッチにおいて、前記被加工物の表面上の２つ又は３つ以上の層を連続的に彫刻又は機械加工し、その後、前記レーザ機械加工ヘッドが、次のパッチを機械加工するために再位置決めされる。
【００４４】
１つの層の全てのパッチが機械加工されると、機械加工すべき後続の層が、再び新しいパッチに分割される。前記新しいパッチの境界線は、当該後続の層上における、前記レーザビーム彫刻による影響を受けない通路にできるだけ沿って追従するように画定される。従って、当該後続の層にも、本発明に係るレーザアブレーション方法が適用される。
【００４５】
前記表面の彫刻を２つ又は３つ以上の層において実施し、新しい層をパッチに分割すべき時には毎回、本発明に係るレーザアブレーション方法が適用される。
【００４６】
レーザビーム彫刻又はレーザアブレーションテクスチャ付けによる影響を受けない通路に追従する境界線を有するようにパッチが画定されると、（当該パッチによって画定された対応する被加工物の表面上で、）予め定められた層数ｌｍの層がレーザアブレーションによって連続的に機械加工される。前記予め定められた層数ｌｍは、前記被加工物の表面上に前記テクスチャをレーザ彫刻するために設けられた予め定められた合計層数ｌtotalよりも少ない。
【００４７】
好ましくは、前記被加工物の表面に彫刻すべき前記テクスチャは、グレーレベルイメージによって規定され、当該イメージにおける各グレーレベルは、前記被加工物の表面にアブレーションすべき所定の深さ又は層に対応する。
【００４８】
本発明は、テクスチャを有する被加工物の表面をレーザアブレーションによって彫刻するための本発明に係るレーザアブレーション方法を使用する本発明に係るソフトウェアも含む。
【００４９】
本発明はさらに、上述した説明に基づくレーザアブレーション方法を適用するレーザ機械加工ヘッドを有する、レーザアブレーションのための工作機械工具も含む。
【００５０】
本発明はさらに、レーザ機械加工ヘッドを備え、上述した説明に基づく本発明に係るレーザアブレーション方法を使用するソフトウェアが実装された、レーザアブレーションのための工作機械工具も含む。
【００５１】
本発明は、説明された実施形態及び択一的形態に限定されていない。
【符号の説明】
【００５２】
１  レーザヘッド、又はレーザ機械加工ヘッド
２  レーザビーム
３  レーザ源
４  Ｘ軸ミラー
５  Ｙ軸ミラー
６  Ｆθレンズ
７  被加工物の表面
８  アクチュエータ、ガルバノメータ駆動部
９  ３次元の固体の被加工物のメッシュファイル
１０  平坦な表面
１１  パッチ、プロット
１２  レーザＺフォーカスシフタ
１３  ガルバノメータ
１４  境界線
１５  ２次元又は３次元の被加工物の表面
１６  彫刻すべきテクスチャを規定するグレーレベルイメージ
１７．１，１７．２  機械加工すべき被加工物の表面の連続した層
１８  レーザアブレーション又はレーザビーム彫刻による影響を受けない通路に追従する、パッチの境界線
１９  レーザアブレーションによる影響を受けない通路に追従する境界線１８を有するパッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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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【図９ａ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【外国語明細書】
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