用於製造一種型鍛的方法和裝置的製作方法
2023-05-27 02:30:46 3
專利名稱：用於製造一種型鍛的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製造根據獨立權利要求的序言的型鍛的一種方法和一種裝置。WO00/18535中揭示了此方法和此裝置。
背景技術：
可藉助雷射束製造細工型鍛(Filigree swaging)。圖1展示用於此工序的已知裝置。1表示雷射源，2表示開關(光學或電的)，3表示聚焦控制器件，4表示光束導向器，5表示工件，6表示型鍛，7表示控制裝置，8表示傳感器(深度傳感器，位置感應)，9表示工件臺，10表示雷射束，且11表示工作檯的z軸調整裝置。如示意性地展示，將投影平面看作x-z平面。y軸垂直於投影平面。
在雷射器1中產生雷射束10。2代表可設計成q開關的接通/斷開追蹤器(ON/OFFtracer)以及強度控制裝置。經追蹤且必要時經水平控制(level controlled)的雷射接著到達聚焦控制器件3，此聚焦控制器件可在z方向上調整焦點位置。其後，雷射穿過可由(例如)彼此定位成直角的鏡面所組成的光束導向器4。所述鏡面能在規定的角度範圍內旋轉且因此可實現在x-y平面中控制在工件6上雷射束10的照射點。
分別通過液化和蒸發工件表面上的材料來燒蝕所述材料。為此目的，將雷射束的焦點定位於工件表面上以便有高面積性能輸入(area performance input)，以使得材料熔化並蒸發且因此被去除。根據用於待製造型鍛的型鍛數據，在暴露表面上逐區域地引導雷射束。6指示已製造的(部分的)型鍛，6a代表所要的完工型鍛的外部表面。分層進行燒蝕。當已燒蝕一層時，將工件臺9與工件5一起提升對應於一個層的高度，以便可燒蝕下一層。
調焦裝置3用於補償非平面球蓋(spherical cap)，所述非平面球蓋通常為球形的且當在x和y方向上偏轉的情況下雷射束的焦點在該球蓋上移動。將參看圖3更詳細解釋此。
控制裝置7控制個別組件(雷射器1、開關和強度控制裝置2、調焦裝置3、光束導向器4、z軸11)。其通過參考可為(例如)CAD數據的型鍛數據12且如果必要可參考其它參數來獲得待引入的數據。
圖2更詳細地展示調焦裝置3。分別來自雷射器1和開關2的雷射束10首先穿過發散透鏡21且接著穿過一個或多個會聚透鏡22、23。發散透鏡21可通過調整裝置24在z方向上重新定位。由此產生不同的光線路線並導致一事實，即對應於發散透鏡21的重新定位，焦點位置最後也將在z方向上重新定位。示意性地指示了兩個光線路線，即，一個用實線指示而另一個用虛線指示。透鏡的位置分別由P1和P2表示。伴隨不同的位置P1和P2，產生不同的焦點位置f1和f2。其由20-1和20-2表示，且彼此相差Δz。Δz的可能的最大值稱作一行程。
圖3展示用於製造型鍛的常見方法和調焦裝置的常見應用。在圖3中，且大體上在此描述中，相同組件由相同參考數字表示。6代表已部分完成的型鍛。31a、31b和31c代表將被逐一燒蝕的層。在如圖所示的實施例中，沿規定路徑以箭頭30的方向在區域上引導雷射束10。材料在被照射時分別熔化並蒸發，且因此被去除。32表示以下待製造的型鍛部分的外部表面。33表示已暴露的表面。當藉助可旋轉鏡面在x和y方向上引導雷射時，雷射的焦點20不是在空間中的一平面上移動，而是在大體上球形的、拱形球蓋34上移動。這容易導致當在區域上引導雷射束時，在待燒蝕的層內的雷射束及其焦點20充其量僅在該層的某些部分中。在其它區域中，雷射束的焦內(intrafocal)或焦外(extrafocal)部分將照射材料的表面，結果是能量密度將不夠高，材料不會蒸發或僅輕微地蒸發，且因此燒蝕性能將降低或變得很不均勻。
為了補償此效應，在已知燒蝕方法和燒蝕裝置中分別使用了調焦裝置。最終，其校正了在易於調整的球蓋34與由直線35所代表的平面中的所要位置之間的焦點位置差異。因此，調焦裝置取決於雷射束的各別的瞬時x位置和y位置而改變z方向上的焦點位置，以便將焦點調整到對應於瞬時燒蝕的層31a的平面35。
當已完全燒蝕一層時，z軸機械地跟隨下降一個層的高度。在圖1中，此可(例如)通過藉助位置構件11來提升工件臺9而進行。通過此調整，以類似方法燒蝕下一層(31b)。此方法的弊端在於在z方向上機械引導該型鍛頗耗時。這在其中在z方向上的調整時間比用於燒蝕一層的機器加工時間更長的小型鍛的情況中顯示地尤為突出。
圖3展示已知分層燒蝕的另一弊端32代表有待最後製成的型鍛的所要的(理論上的)外部表面。然而，歸因於分層燒蝕，事實上結果是如33處所展示的非理想的但真實的路線歸因於分層燒蝕，側壁呈臺階狀延伸，臺階的高度對應於層的厚度。取決於型鍛外部表面的所要質量，可將這看作或大或小的弊端。
發明內容
本發明的目的是提供用於形成型鍛的一種方法和一種裝置，其也允許快速製造小的型鍛並形成型鍛的光滑的外部表面。
此目的是藉助獨立權利要求的特徵來實現。附屬權利要求針對本發明的較佳實施例。
在用於在工件中製造型鍛的方法中，在工件的表面上通過光束導向器來引導雷射束以製造型鍛。以如此方式控制雷射束的焦點位置以使得可至少暫時地在型鍛的深度方向上改變焦點位置。
在根據本發明的一種方法中，通過藉助調焦裝置(而不是機械導向器)來引導焦點位置，而在z方向上遵循個別的層是可能的。因此，在從一個層到下一層的過渡時，型鍛深度方向上的雷射束的焦點位置被引導到可變的值。
然而，也可當在一層內進行燒蝕期間實現對雷射束焦點位置的可變調整以使得最終燒蝕的不是平面層而是以確定的或所要的方式燒蝕的非平面層。
可調整焦點位置以使得y方向上的焦點相對於瞬時燒蝕的層具有規定位置，例如，其以規定方式定位於層中或自其偏移。
一種用於製造型鍛的裝置包含雷射源、調焦裝置、光束導向器和用於所述組件的控制裝置。所述控制裝置經設計以將焦點位置至少暫時地控制到型鍛的深度方向上的可變的值。
以下參看圖式描述了若干實施例，其中圖1示意性描述了用於製造型鍛的裝置的結構；圖2描述了光線的路線，特別是在調焦裝置中的光線路線；圖3描述了一已知方法；圖4描述了一圖式以說明根據本發明的第一方法；圖5描述了一圖式以說明根據本發明的另一方法；圖6描述了一圖式以說明根據本發明的另一方法；圖7描述了一圖式以說明根據本發明的另一方法；圖8描述了一圖式以說明根據本發明的另一方法。
具體實施例方式
根據本發明的方法可通過適當設計圖1中的控制裝置7或適當控制圖1和圖2中的調焦裝置3來分別實現。圖4示意性展示待製造的型鍛的「分層圖」。40代表了希望是最終產品的型鍛的外部表面。41指的是待燒蝕的多層中的一層，且另外的層42、43……接著位於其下。此意味最終通過分層燒蝕而在箭頭44的方向上進行操作。在燒蝕一層後，可藉助調焦裝置3(由控制裝置7來觸發)來改變焦點位置而趨近下一層。此意味在燒蝕一層後，通過適當控制調焦裝置3，在圖4中焦點被整體地向下移動Δz的距離，且接著下一層將被燒蝕。如參看圖3所描述的，在此燒蝕期間，可再次以已知方式在z方向上實現焦點位置補償。只要調焦裝置3的可用行程允許，可將焦點位置引導到個別層41、42、43……。如圖3中所描述，可能需要行程的一特定部分以補償焦點位置。行程的另外的可利用部分可用於控制個別層。當已達到最大可能的行程時，可在若干層後沿z軸進行機械引導(圖1中之位置構件11)。接著，通過將焦點位置調整Δz可再次進行到若干層的若干引導。
因此，可整體地交替執行機械引導和藉助焦點位置調整的一個或多個引導。如果調焦裝置3的可利用行程允許，那麼可(例如)通過相應地引導焦點位置而逐一趨近20個層。接下來，沿z方向執行21個層的厚度的機械引導，且可再次通過焦點位置調整而趨近複數個層，例如20個層。
由於焦點位置調整比沿z軸的機械引導快很多(必要控制步驟的啟動和隨後反覆切換到燒蝕控制所耗的時間取代重定位時間而成為後者的重要值)，因此總體上有可能節省時間。
圖5展示根據本發明的另一方法。燒蝕不再在平面層中執行而是在非平面層51、52、53……中執行。沿箭頭54的方向逐層進行操作。如圖所示，所述層可通過遵循有待最後製成的型鍛的外部表面40來形成，或類似地(例如)通過具有層與層之間不同但是在一層內保持恆定(即，當趨近外部表面40時，一層比一層薄)的預定距離(通過「平行於外部表面」)來形成。可從控制裝置7中的型鍛數據12計算出此等個別層，且接著，一方面通過光束導向器4且另一方面通過連續聚焦控制器件3來插入所述層。光束導向器4實現在x和y方向上對雷射束的控制，而調焦裝置3控制在z方向上的焦點位置，以使得相對於剛被燒蝕的層，焦點具有一規定位置，例如，位於其內側。
關於這一點，應注意，焦點位置在z方向上的變化(即，當雷射束沒有照射平行於z軸的型鍛表面時)也可影響焦點的照射點的x和y坐標。分別通過控制裝置和對控制數據的確定而適當顧及這一點。
如參看圖3所描述，理論上，可將焦點位置調整器件想像為由兩個疊加組件所組成，即，一方面是根據待燒蝕層的所要形狀的控制裝置，而另一方面是用於補償球蓋的控制裝置。就數目來說，此等組件可單獨地或可作為一單元而獲得。
所述個別層彼此相比較來說可具有恆定的或不同的厚度。詳細來說，靠近外部表面的層可比遠離外部表面的層更薄。單個層也可具有恆定厚度，但並非必需。
圖6展示一實施例，其中執行分層燒蝕使得最後再次製造「平行於外部表面」的(在外部表面40處)層65。通常這些層是沿箭頭64的方向逐一燒蝕的層61、62、63，且其中每一層自身包含可變的層厚度，尤其表現為在型鍛邊緣66處的層厚度小於在型鍛中心67處的層厚度。
圖7展示一實施例，其中混合採用了不同燒蝕方法。當接近於獲得具有待最後製成的型鍛的外部表面40的型鍛時，可燒蝕所述材料以製造具有平行於所述外部表面的層55的型鍛，以便以這種方式獲得光滑的外部表面40。此外部表面不會展示由圖3中參考數字33所指示的分級。然而，在此之前，可選擇一種較快、較粗糙的燒蝕方法，(例如)參看圖4或圖6所描述的方法。最後，圖7展示了圖4和圖6的混合形式。首先，根據圖4中的方法執行操作。在這裡，可燒蝕較厚層(例如3-20μm)，其中在個別層中進行燒蝕，不深入到已完工型鍛的各別、實際可接近的外部表面，而是在此之前停止(即在型鍛的「較內側」停止)。此由沿箭頭44方向(操作方向)的個別層41、42、43代表。可在每一層的內側及通常分別在距完工型鍛的外部表面40一特定距離處中斷此方法，且接著可過渡到如上所述的平行於外部表面的機器加工(其具有較薄層(1-3μm))。
以此方式，就將以粗糙層進行快速燒蝕的優點和在型鍛製造的最後階段通過平行於外部表面的層(其可至少在最外側較薄)來精確製造外部表面的優點組合起來。可引入位於焦點控制器件的聚焦球蓋上的層，而不是圖4或圖7的第一部分中的平面的、平行層。那麼，連續的焦點控制和對應的計算和控制工作將不再需要。
圖8展示一實施例，其中也根據焦點調整的可利用行程來確定待燒蝕的若干或所有層。這種情況可發生在焦點調整的可利用行程不足以在z方向上完全覆蓋型鍛的外部表面40的較深型鍛中。則所述型鍛將被邏輯劃分成單個部分86、87，且相應地被劃分成本身可被當作部分型鍛且各自在聚焦控制裝置的可利用行程內可被充分接近的製造部分84、85。可在對應區段86、87內分別重新開始參看圖5到圖7所描述的操作。圖8展示一實施例，其中個別「部分型鍛」86、87各自受到如圖5中所述的機器加工。這些部分型鍛經規定以使得可分別在調焦裝置3的一行程內製造它們，其中有可能可選擇地考慮球蓋補償所需的中心(hub)部分，尤其使得不可將其用於在深度方向上製造型鍛。此方法的優勢在於外部表面40上的不連續性僅在部分型鍛的「接縫」88處發生，因為對於剩下的部分來說，可再次平行於外部表面而進行操作。也可根據圖6或圖7來機器加工部分型鍛86和87，而不是對應於圖5來機器加工這些部分型鍛。
優選地，深度傳感器8是一個感應位置的深度傳感器。其可獲得個別x-y位置的在z方向上的各別深度和尺寸。優選地，其實時執行，(例如)通過適當評估在雷射束機器加工的各別瞬時點處的過程輻射(process radiation)來執行。因此，創建一指示型鍛的取決於各別x和y坐標的各別深度的「映射圖」。也可能通過參考此等測量數據來調整焦點控制。
通常，可通過大體上控制雷射功率或雷射參數(功率、追蹤、引導速度……)來控制瞬時燒蝕的厚度。這種對燒蝕性能的控制可為位置可變的，尤其取決於瞬時x和y坐標。
權利要求
1.一種用於在工件中製造型鍛的方法，其中通過光束導向器在所述工件的表面上引導雷射束，以便製造所述型鍛，其特徵在於，以如此方式控制所述雷射束的焦點位置以使得可至少暫時在所述型鍛的深度方向上改變所述焦點位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過分層燒蝕來進行所述型鍛的製造，且所述雷射束的所述焦點位置經控制以使得所述焦點位置相對於瞬時燒蝕的層具有規定位置。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，通過控制所述雷射束的所述焦點位置來完成從一個層到下一層的過渡。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，在非平面層中進行所述燒蝕。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，至少部分在遵循或類似於完工的型鍛的外部表面或平行於所述外部表面的層中進行所述燒蝕。
6.根據權利要求2至5中一個或多個權利要求所述的方法，其特徵在於，在一第一步驟中通過燒蝕未達到所述完工的型鍛的所述外部表面的層，且在一第二步驟中通過燒蝕類似於或遵循所述完工的型鍛的所述外部表面或平行於所述外部表面的層，來進行所述型鍛的製造。
7.根據權利要求2至6中一個或多個權利要求所述的方法，其特徵在於，在具有一非恆定厚度的層中進行所述燒蝕。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，一層在其邊緣處的厚度小於在中間處的厚度。
9.根據權利要求2至8中一個或多個權利要求所述的方法，其特徵在於，也根據焦點調整的可利用行程來獲得所述個別層。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，獲得諸層以使得可在所述焦點調整的所述行程內控制所述層。
11.根據前述權利要求中一個或多個權利要求所述的方法，其特徵在於，根據所要的燒蝕性能而在所述型鍛的深度方向上控制所述雷射束的所述焦點位置。
12.根據權利要求2至11中一個或多個權利要求所述的方法，其特徵在於，至少部分地獲得並燒蝕諸層，使得所述層位於球蓋上，其中如果所述雷射束由所述光束導向器引導，那麼所述雷射束的所述焦點在所述球蓋上移動。
13.一種用於在工件(5)中製造型鍛(6)、且尤其用於執行根據前述權利要求中一個或多個權利要求所述的方法的裝置，其特徵在於，包含用於製造一雷射束以用於去除材料的雷射源(1)；用於調整所述雷射束的焦點位置的調焦裝置(3)；用於在所述工件的所述表面上引導所述雷射束(20)的光束導向器(4)；和用於控制所述調焦裝置(3)和所述光束導向器(4)的控制裝置(7)；其特徵在於所述控制裝置經設計以藉助所述調焦裝置(3)將所述雷射束的所述焦點位置至少暫時控制到所述型鍛的深度方向上的可變值。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特徵在於，用於測量所述型鍛(6)中的深度的傳感器(8)，且所述控制裝置經設計以根據所述傳感器的輸出來控制所述雷射束的燒蝕性能。
全文摘要
本發明涉及一種用於在工件中製造型鍛的方法，其中在工件的表面上通過光束導向器來引導雷射束，以便製造所述型鍛。以如此方式控制雷射束的焦點位置以使得可至少暫時地在所述型鍛的深度方向上改變該焦點位置。一種用於在工件(5)中製造型鍛(6)的裝置具有用於製造用於去除材料的雷射束的雷射源(1)、用於調整雷射束的焦點位置的調焦裝置(3)、用於在工件的表面上引導雷射束(20)的光束導向器(4)和用於控制調焦裝置(3)和光束導向器(4)的控制裝置(7)。所述控制裝置經設計以藉助調焦裝置(3)將雷射束的焦點位置至少暫時地控制到所述型鍛的深度方向上的可變值。
文檔編號B23K26/08GK1795072SQ200480014341
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月27日 優先權日2003年5月28日
發明者彼得·希爾德布蘭德, 馬丁·裡斯威士, 麥可·庫爾, 哥特弗雷德·萊尼克 申請人:德國索爾公司