(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能なパルス状レーザ放射を用いて平坦な材料の一方の側で局部的に材料除去することによって当該平坦な材料に線状のウィーク部を作り出す方法にして、作り出されるべき線状ウィーク部の方向においてレーザ放射と上記平坦な材料の間で相対的な動きがもたらされるようになっており、
−互いに順次隣接して線状に配置され且つウェブによって各々互いに間隔をおいて分かれた複数の盲孔の形態で平坦な材料を除去すること、
−各レーザ放射パルスが実行される毎に夫々の盲孔の底部を通って伝播するレーザ放射の成分を検知すること、
−全ての検知後に盲孔の製造中に得られた検知器信号を介して積分値を形成すること、
−当該積分値を、全ての盲孔のために予め決められ且つ所望の残留壁厚と相互関連する基準値と比較すること、
−上記基準値に達した場合にレーザ放射をスイッチオフすること、
−２つの隣接する盲孔の間での所望ウェブ幅を決定する所定の間隔にわたる上記相対的な動きが完了した後にレーザ放射をスイッチオンすること
の各ステップを特徴とし、その全長にわたり線状ウィーク部が作り出されるまで上記プロセスステップが繰り返される方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御可能なパルス状のレーザ放射を用いて平坦な（フラットな）材料の一方の側で局部的な材料除去（切除）によって当該平坦な材料に線状のウィーク部を作り出す方法に関する。当該平坦な材料は平面であるか、３次元的である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
隣接する材料部分を互いに分けるために、あるいは開口を形成するために必要な場合に力を及ぼして破られうる破壊線をもたらすべく、材料の線状のウィーク部を作り出すことは多くの適用において一般に行われている。そのような所定の破壊線がその長さに沿って破壊に対して一定の抵抗を有し、切断が一定の力でもたらされうる場合には常に有利である。種々の適用にとって、安全に関する技術的理由で、破壊抵抗は一定で再現可能なように作られることが更に求められる。そのような適用の一つは例えばエアバッグカバーである。体裁上の理由で、所定の破壊線が車両搭乗者の肉眼では見えないことも時々要求される。
【０００３】
レーザ機械加工（切削）の利点がそのような線状のウィーク部分を作り出すために用いられるならば、再現可能で且つ一定の破壊抵抗の要求を満たすことは困難になる。再現可能で一定の破壊抵抗は本質的に、線状のウィーク部の範囲での残留壁の厚みが一定で再現可能なように作られ得ることを要求する。これは一定の厚みを材料が有するならば、一様な深さで除去することによって達成可能である。
【０００４】
しかしながら、一定の厚みの均質な材料ですら、所定の残留壁の厚みが非制御機械加工レーザによって達成されることはありそうもない。放射品質と放射出力における変動／不安定によって、機械加工の深さにおいて対応した変動／不安定がもたらされる。除去深さに応じてレーザを制御することが求められ、これは除去深さの検知を前提とする。機械的測定手段を使用し、それ故に除去深さを接触検知することは、小さなカットギャップ幅のために不可能である。電気的に不伝導性の材料を機械加工する際に電気測定プロセスも磁気測定プロセスも適用することができない。
【０００５】
レーザ放射での特に金属部片の材料除去のための方法は、ドイツ連邦共和国特許第３９４３５２３号公報に記載されている。当該発明によれば、有効なレーザ放射の強さは検出された熱放射に応じてレーザ放射をオンオフで切り換えることによって調整されるので、これは機械加工速度が高い場合には不適当である。精度を改善するために、除去深さが測定され、制限値を訂正することが考慮される。ドイツ連邦共和国特許第３９４３５２７号公報の明細書に、除去深さの測定が例えば三角測量の原理で作動する光学センサでもたらされることが記載されている。しかしながら、この測定原理の適用性は、垂直形態のカット、測定ビームの横断面よりも大きなカットギャップ幅、及び直線カット路に制限される。更に除去深さを検出する他の測定原理のように、この測定原理は材料の厚みが一定でない場合にはとどまっている残留壁の厚みを示すのに適当でない。
【０００６】
所定の破壊線の破壊抵抗に関して一定でない材料厚みの影響は、検出された残留壁の厚みに依存して調整される除去によって除かれ得るだけである。ドイツ連邦共和国特許出願第４３２０３４１号公開公報による解決法は、一見したところ、この関連において提供されている。除去プロセスがその伝播値（トランスミッタンスバリュー）に応じて調整されるところのレーザ放射によってガラス形成成分のカバー層を除去するための方法が開示されている。この場合において、その目的は、所定の層厚分布を有した残留カバー層がガラス形成成分に関して後に残るように、意図的で限定的に（in a purposeful and defined manner）ガラス形成成分のカバー層を除去することにある。ガラス形成成分に関して残る層厚は、機械加工位置での伝播を測定することによって示されうる。したがって、この測定方法は、予め平坦でないカバーの厚みの位相幾何を決定する必要なく、所定の残留層の厚みにまで上記平坦でないカバーの厚みを除去するのに特に適する。
【０００７】
残留層の厚みを決定するために、伝播される測定ビームの強度が機械加工位置で機械加工レーザ放射のパルス毎に測定され、測定された値は、プロセスコンピュータに供給される。個々の測定値を結合することによって、除去効率や相対伝播のような種々の評価規準が決められうる。測定値が個々の値としていき値（限界値）と比較され、このいき値を越える場合、除去プロセスを終結するためにスイッチオフ規準として供される。
【０００８】
実際のテストに示されたように、上記ドイツ連邦共和国特許出願第４３２０３４１号公開公報による解決法は、成功裡に所望品質の線状のウィーク部を作り出すのに適用することができなかった。上記除去が平面的にもたらされ、生じる燃焼残留物と蒸発ガスが直ちに分布し平面的に蒸発乃至揮発するところのガラス形成成分に関するカバー層の除去と対照をなして、これら生じるガスと残留物は、除去が線状にもたらされる場合、特に除去幅が除去深さよりも十分に小さく場合に、長い間、除去位置で密集したままであり、その吸収のために伝播値をゆがめる。
【０００９】
図１及び２は、理解の補助として２つの測定値グラフを示す。図１でプロットされた検知器信号曲線１．１は、理論信号曲線におおよそ対応し、例えば、除去幅が除去深さの割に非常に大きく除去速度がゆっくりで均質な材料での除去プロセスに帰着する。ノイズレベルを越えた後、検知器信号１．１のレベルは連続して上がる。対照的に、非均質な材料の線状除去の場合に生じるような検知器信号曲線１．２の上昇は不安定である。即ち、当該上昇は実質的に不連続で、検知される次の信号は時々その前の信号よりも低いレベルを有する。検知器信号曲線１．２の上昇が連続的でないという事実は、放射（線）パラメータが同じままでも異なる除去深さになりうる機械加工された平坦な材料の非均質材料特性によってある程度説明可能である。信号曲線の部分的にマイナスの上昇（つまり下降）又はゼロ上昇はこのようにして説明することができない。
【００１０】
この現象の原因は実質的に、直接的機械加工位置で生じる燃焼残留物と蒸発ガスの上記発現と濃厚化にある。これら燃焼残留物と蒸発ガスは濃くなるにつれてますますレーザ放射を吸収し、その結果、信号レベルは除去深さと相互関連しない。機械加工位置で材料を通る望ましくない貫通後にのみ、しばしば、いき値２を突然に越える。機械加工の多数回の繰り返しによって、同じプロセスパラメータと副次的な制約にも拘らず異なる信号曲線がもたらされる。この理由はおそらく、発現する材料凹部における燃焼残留物と蒸発ガスの一時的で空間的に均質でない分布であり；これは検知器信号曲線１．１からの検知器信号曲線の偏差が機械加工速度の増加につれて増す事実によって確かめられる。信号レベルがいき値２を越える場合のレーザのスイッチオフ（制御信号３の中断）によって、激しく変動する除去深さを有した所定の破壊線がもたらされる。
【００１１】
上記した理由のために、この方法は、肉眼では見えず一定の残留壁の厚みを、したがって一定で再現可能な破壊抵抗を有する所定の破壊線を作り出すのに適していない。
【００１２】
本発明の目的は、肉眼では見えない再現可能で一定の破壊抵抗の線状ウィーク部を制御可能なパルス状のレーザ放射を用いて平坦な材料に作り出すことができる方法を開発することにある。当該方法は、この平坦な材料が複数の均質でもない層を備えてなり一定の厚みを有しない場合に、うまく応用することができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１にかかる線状ウィーク部を作り出すための方法において満たされる。
【００１４】
本発明は、平坦な材料を通って伝播するビーム（レーザ放射の成分）を検知することによってその平坦材料の所定の厚みに達するまで除去を制御する従来技術から公知の基本的な考えを用いている。しかしながら、レーザ放射の検出された伝播成分を介して積分値（インテグラルバリュー）を形成する本発明に係るステップを用いてのみ、材料における不規則性及び燃焼残留物と蒸発ガスの形成によって伝播放射に及ぼされる不確定な影響にも拘らず、残される残留壁の厚みと良好に相互関連する値が得られる。しかしながらこれは、線状ウィーク部がカットギャップでなく、むしろ一連の隣接する盲孔（有底孔）で形成されることを前提とする。この盲孔は、生じるガスが少なくとも機械加工の短い間だけ、ほぼ完全にとどまる空間的に限定されたスペースを生じる。したがって個々の盲孔を作り出す場合に吸収性ガスの放射に対する影響は同じである。更に、孔タイプの除去によって、検出されるレーザ放射がもっぱら機械加工された盲孔の底を通る伝播成分であることが保証される。それ故に、少なくともほぼ同一の残留壁の厚みが同一の積分値から結論／推論されることが可能である。
【００１５】
ノイズに対する信号の比が良くなればなるほど、したがってより多くの信号が検知されて積分値を形成するのに用いられれば用いられるほど、所望の残留壁の厚みが達成される際にレーザ放射がスイッチオフされる精度が上がる。材料における不規則性はまた、積分値に応じてレーザが制御されることで相対化され、その結果、上記方法が非均質材料を機械加工するのに特に有利であるを判明した。
【００１６】
一定の破壊抵抗と不可視性の２つの要件に関して、平坦な材料を盲孔の形状で除去して線状のウィーク部を作り出すことは、追加的な利点を有する：
− 線状のウィーク部が切取り又は切欠きによって創出される場合に、カットギャップでの残留壁の厚みのみが所定の破壊抵抗を達成するために幾何学的な量として変更可能であるのに対して、一列の隣接する盲孔（以下、ミシン目線と称する）を配する場合に盲孔の間のウェブ幅は同様に変更可能である。
− 材料がカット線の形状で除去される場合、残留材料はカットギャップに入り込むことなくそれ故に可視とならないように十分に強くなければならない。この挿入はミシン目線の場合において、はるかに小さな残留壁の厚みであっても支持部として作用するウェブによって防がれる。
− ミシン目線全体にわたり一定である破壊抵抗はまた、盲孔が周期的に繰り返す種々の残留壁厚を有する場合に、達成可能である。
【００１７】
とりわけ線状のウィーク部が多層の複合材料において製造される場合、種々の構造の線状ウィーク部、言い換えれば、残留壁の厚みの種々の連続は、個々の層の強度に応じて多かれ少なかれ有利になりうる。それ故に、個々の材料層が高い強度を有する多層材料において、線状のウィーク部は全ての盲孔が同じ最小限度の残留壁厚を有する構造において製造可能である。層の材料定数とウェブ幅が変化せずにそのままであると仮定して、残留壁厚が小さければ小さいほど、平坦な材料の破壊抵抗は低くなる。しかしながら、低い残留壁厚と狭いウェブ幅によって高い熱負荷がもたらされ、これは、エージングによる材料の弛緩のように、盲孔への残留材料の挿入に至り、その結果、線状ウィーク部はまた機械加工されない平坦な材料の側から目に見えるようになる。これは特に個々の材料層、とりわけ表面層の下方に位置した層が軟らかく、残っているウェブがもはやその支持機能を満たさない場合に生じる。これを避けるために、深さでの周期的変化で材料の除去がもたらされ、その結果、かなり大きなウェブ幅が軟らかい材料に維持され、表面層はそのような大きな程度で熱的に負荷されない。線状ウィーク部の引き裂きに対する抵抗はそれによって著しく増加しないが、線状ウィーク部の可視性の危険は回避される。
【００１８】
本発明に係る方法は、線状ウィーク部が表面層が３次元的に構成される複合材料に配置される場合に特に有利である。線状ウィーク部の引き裂き抵抗は、本発明に従い、除去が限定された残留壁厚にもたらされるので、その織り乃至構造付与のために表面層の材料強度の変動にも拘らず、均質である。平らな構造付与されていない表面を有した平坦材料に関して、残留材料の盲孔への沈降が、人の目にあまり見えないようであるのが有利である。線状ウィーク部が連続して延びない場合には、沈降（セトリング）や刺し跡（パンクチュアー）すら気づきにくい。肉眼に不可視であるように意図され線状に弱められた複数の部分は、意図的な力の適用によって線方向に破壊されるために、一般に備えられず、むしろ表面に沿って作用する力の結果として、平坦な材料は線状ウィーク部に沿って破壊され、したがって、平坦な材料に開口を作り出す。所望の開口の周囲線に全く一致するように線状ウィーク部を作り出すことは普通のことである。しかしながら、可視性の可能性を減らすために、線状ウィーク部がこの周囲線に沿って互い違いであるように延びることは有利である。この目的のために、線状ウィーク部は周囲線について確率的に交互に繰り返されうるか、あるいは類似の表面構造の場合に所定の機能に追従可能である。対応して粗い表面構造とこの表面構造に適合する線状ウィーク路を与えて、線状ウィーク部の盲孔は、刺し跡が十分に小さい限りにおいて肉眼で認知できずにゼロの残留壁厚で作り出すことも可能であり、それはレーザによって容易になされる。
【００１９】
原則として、本発明に係る方法は、少なくとも表面層が少なくとも１つのレーザ波長にとって透過である限りにおいて、レーザによって機械加工可能な全ての平坦な材料に適用可能である。機械加工レーザの波長は有利なことにこれに当たる。プラスチック並びに皮革、加硫され或いは加硫されないゴム、工業生地及び紙タイプの平坦な材料の表面層は、有利には機械加工可能である。第１実施態様の発泡材料層と成形されたウッド層の代わりに、表面層はプラスチック複合材料やプラスチックラミネート並びにウッド、加硫された或いは加硫されないゴム及びボール紙のような様々なシングル層乃至多層の平坦な材料に適用可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
第１実施態様において、平坦な材料は３つの異なる非均質材料層からなる複合材料であり、これらは、複合材料に安定性を与える成形されたウッド材料の固定担体層と、軟らかい発泡層及び表面層としての薄いＴＰＯ（熱可塑性ポリオレフィン）シートである。所望の破壊抵抗を達成するために、線状ウィーク構造は、一定のウェブ幅ｃで交互に連続する残留壁厚ａでの２つの盲孔と残留壁厚ｂでの２つの盲孔をもって選択される。ＴＰＯシートの厚みよりも小さな残留壁厚ａは、ＴＰＯシートの材料パラメータに応じて、当該シートが部分的に除去されても長い間にわたって残留材料が寸法的に安定なままで十分強いように決定された。ＴＰＯシートの厚みよりも大きな残留壁厚ｂは、担体層が完全に貫かれる一方で、最大でも材料の僅かな除去が発泡層にもたらされるように決定された。したがって、上記シートを大きなウェブ幅にわたって支持するように上記発泡層が続く一方で、担体層が連続して弱められる。発泡層とＴＰＯシートはゼロよりもかなり大きな、機械加工レーザの波長に対する透過度を有する。
【００２１】
本発明に係る方法を実行するために、制御可能なパルス状出力と制御可能なパルス列を有するレーザビームが担体層側で複合材料に向けられ放射される。複合材料を通って伝播するレーザ放射の成分を検知するセンサは、レーザ放射の方向に位置合わせされるように、ＴＰＯシート側で複合材料の下方に配置される。検知器のパラメータとレーザ放射源のパラメータは、機械加工位置で担体層が完全に除去される場合に第１信号が検知されるように、互いに合わせられるようになっている。相対的な動きがレーザ放射と複合材料の間で、製造されるべき線状ウィーク部の方向においてもたらされる。この相対的な動きは、最大除去速度より小さな、パルス周波数に対してほんの僅かに小さい程度のスピードでの連続的な動きであるか、レーザ放射による複合材料の機械加工中に絶えず中断されるようなものである。
【００２２】
複合材料の機械加工は、担体層の早い貫きを可能とする高いパルス出力のためのパルス型（pulse regime）で始まる。当該パルス型は、発泡材料層の除去応答に適合するために第１信号が検知されると変更される。特に選択されたパルス継続時間が短ければ、それによって熱負荷が減少し、材料除去を遅らせる。もたらされる除去がゆっくりであればあるほど、検知される信号は多くなる。各信号受信後、既に検知された信号によって積分（インテグラル）が形成され、積分値が基準値と比較される。積分値が残留壁厚ａに対する相関値として先立つテストで決定された基準値に達するとすぐに、レーザ放射がスイッチオフされる。第２の孔が同じようにして第１の孔からウェブ間隔ｃで製造される。第３及び第４の孔を製造する間、レーザ放射は形成された積分値が基準値ｂに達するとそれまでにスイッチオフされる。その積分値は１つの信号又は僅か数個の信号が検知された後にそれまでに達成されるので、残っている残留壁の厚みの精度はまた低い。しかしながら、異なる深さで発泡材料への僅かな貫きが全体として線状ウィーク部の破壊抵抗に影響しないので、これは欠点ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定値グラフである。
【図２】図１とは別の測定値グラフである。
【符号の説明】
１．１  検出器信号曲線
１．２  検出器信号曲線
２      いき値
３      制御信号
【図１】
0004204082.tif 000002
【図２】
0004204082.tif 000003