激光加工裝置及激光加工方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種在三維加工中能夠進(jìn)一步降低表面粗糙度的激光加工裝置及激光加工方法。本發(fā)明的激光加工方法如下：將加工區(qū)域設(shè)定為沿激光的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，將對(duì)加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)作為脈沖照射點(diǎn)來照射激光而進(jìn)行加工，在多層加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘?層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為1個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于1個(gè)周期的層，在第2層中將格點(diǎn)挪動(dòng)到由第1層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)（P1）構(gòu)成的四邊形（Q1）的重心（G1）來作為脈沖照射點(diǎn)（P2)，在第3層中將格點(diǎn)挪動(dòng)到由第1～第2層中相鄰的脈沖照射點(diǎn)（P1、P2）構(gòu)成的四邊形（Q2）的重心（G2）來作為脈沖照射點(diǎn)（P3），在第4層中將格點(diǎn)挪動(dòng)到由第3層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)（P3）構(gòu)成的四邊形（Q3）的重心（G3）來作為脈沖照射點(diǎn)（P4）。
【專利說明】激光加工裝置及激光加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過大幅度降低表面粗糙度來實(shí)現(xiàn)三維加工的激光加工裝置及激光加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為利用激光對(duì)材料進(jìn)行三維形態(tài)加工的方法之一已知有如下方法:如圖7所示，將從加工對(duì)象物W中加工去除的部位分成在與激光L的照射方向垂直的方向?qū)盈B的多個(gè)層(以下還稱為加工層LY)，從靠近加工對(duì)象物W的表面那一側(cè)的加工層LY開始依次進(jìn)行加工去除(以下稱為層加工法)(參考專利文獻(xiàn)I)。該層加工法雖然能夠高精度地加工出比較隨意的形態(tài)，但由于在加工面上產(chǎn)生由激光L的脈沖引起的微細(xì)的加工痕(以下稱為脈沖痕)所致的凹凸，因此加工面的表面粗糙度與磨削加工等相比會(huì)變大。
[0003]因此，為了降低加工面的表面粗糙度，可采取如下手段:通過有規(guī)律地控制向加工層脈沖照射的激光的照射位置(以下稱為脈沖照射點(diǎn))的分布(以下還稱為脈沖照射點(diǎn)分布)，從而抑制由脈沖痕導(dǎo)致的凹凸。例如，在專利文獻(xiàn)2中，控制進(jìn)行掃描的激光的掃描線的間隔等，例如以正方形格子狀分布脈沖照射點(diǎn)。
[0004]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開2012-16735號(hào)公報(bào)
[0005]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開2007-229756號(hào)公報(bào)
[0006]上述以往技術(shù)中遺留有以下課題。
[0007]專利文獻(xiàn)2中所記載的加工方法中，存在未充分降低激光加工面的表面粗糙度的情況。其原因在于，沒有考慮到層與層之間的脈沖照射點(diǎn)的重合分布，因此產(chǎn)生于層內(nèi)的凹凸在層與層之間堆積，有時(shí)還特別明顯，而有可能每當(dāng)增加加工深度時(shí)表面粗糙度就會(huì)增加。并且，越縮小相鄰脈沖照射點(diǎn)之間的距離，一個(gè)層內(nèi)因脈沖痕引起的凹凸就變得越明顯，越使一個(gè)層內(nèi)的表面粗糙度變低，這就相當(dāng)于增加層的厚度，其結(jié)果，在對(duì)相對(duì)于激光軸傾斜的面進(jìn)行加工形成時(shí)變成較大的階梯型的高低差，因此存在反而使相對(duì)于激光軸傾斜的面的表面粗糙度增加的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是鑒于上述課題而完成的，其目的在于提供一種在三維加工中能夠進(jìn)一步降低表面粗糙度的激光加工裝置及激光加工方法。
[0009]本發(fā)明為了解決上述課題采用了以下結(jié)構(gòu)。即，本發(fā)明的激光加工裝置為通過對(duì)加工對(duì)象物照射脈沖激光來進(jìn)行形狀形成的加工裝置，其中，具備:脈沖激光照射機(jī)構(gòu)，以恒定的重復(fù)頻率對(duì)所述加工對(duì)象物照射所述激光并進(jìn)行掃描；位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，能夠保持所述加工對(duì)象物來對(duì)該加工對(duì)象物與所述激光的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整；及控制部，控制這些機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行所述激光的掃描時(shí)將所述加工區(qū)域設(shè)定為沿所述激光的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，通過對(duì)各加工層照射所述激光并去除每個(gè)所述加工層的預(yù)定部分來形成三維形狀的加工面，該控制部通過將對(duì)所述加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)作為脈沖照射點(diǎn)而照射所述激光來進(jìn)行加工，在多層所述加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，在所述第2層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，在所述第3層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層及所述第2層中相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，在所述第4層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第3層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。另外，在此將四角格子定義為:4個(gè)最靠近的格點(diǎn)構(gòu)成正方形、長方形、菱形、平行四邊形之中的任一種形狀，并無縫隙地將其相同的形狀鋪滿在平面上。并且，例如最靠近的3個(gè)格點(diǎn)為正三角形時(shí)，通常大多視為正三角形格子，但是在此視為銳角為60°的平行四邊形，并將其納入上述四角格子中。
[0010]并且，本發(fā)明的激光加工方法，其為通過對(duì)加工對(duì)象物照射激光來進(jìn)行形狀形成的加工方法，其中，具有:激光照射工序，在該工序中以恒定的重復(fù)頻率對(duì)所述加工對(duì)象物照射所述激光并進(jìn)行掃描；及位置調(diào)整工序，該工序中能夠保持所述加工對(duì)象物來對(duì)該加工對(duì)象物與所述激光的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)行所述激光的掃描時(shí)，將所述加工區(qū)域設(shè)定為沿所述激光的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，通過對(duì)各加工層照射所述激光并去除每個(gè)所述加工層的預(yù)定部分來形成三維形狀的加工面，在對(duì)所述加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)上照射所述激光來進(jìn)行加工，在多層所述加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，在所述第2層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，在所述第3層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層及所述第2層中相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，在所述第4層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第3層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
[0011]在這些激光加工裝置及激光加工方法中，在多層加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，對(duì)于第2層至第4層如上所述通過分別挪動(dòng)四角格子的格點(diǎn)來作為脈沖照射點(diǎn)，由此與在χ-y面內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)格點(diǎn)為脈沖照射點(diǎn)的四角格子來層疊時(shí)相比，能夠減少由脈沖痕導(dǎo)致的凹凸。
[0012]另外，本發(fā)明的激光加工裝置，其中，所述控制部在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，第2個(gè)以后的周期中，在所述第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
[0013]S卩，該激光加工裝置中，在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，第2個(gè)以后的周期中，在第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，因此能夠進(jìn)一步減少凹凸。
[0014]另外，本發(fā)明的激光加工裝置中優(yōu)選使所述控制部將所述第4層設(shè)定為最后一個(gè)所述加工層。
[0015]即，該激光加工裝置中，通過將第4層設(shè)定為最后一個(gè)加工層，能夠使表面粗糙度變得極小。
[0016]根據(jù)本發(fā)明發(fā)揮以下效果。
[0017]即，根據(jù)本發(fā)明所涉及的激光加工裝置及激光加工方法，在多層加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，對(duì)于第2層至第4層如上所述通過分別挪動(dòng)四角格子的格點(diǎn)來作為脈沖照射點(diǎn)，由此與在x-y面內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)格點(diǎn)為脈沖照射點(diǎn)的四角格子來層疊時(shí)相比，減小由脈沖痕導(dǎo)致的凹凸，并能夠降低激光加工面的表面粗糙度。
[0018]于是，本發(fā)明的激光加工裝置及激光加工方法適合于例如要求表面粗糙度Rz ^ 3 μ m的具有復(fù)雜的立體形狀的產(chǎn)品的形狀加工等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是在本發(fā)明所涉及的激光加工裝置及激光加工方法的一實(shí)施方式中，表示激光加工裝置的概略整體結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2是本實(shí)施方式中以工序順序表示基于自第I層(a)至第4層(d)的正方形格子的脈沖照射點(diǎn)的說明圖。
[0021]圖3是本實(shí)施方式中以工序順序表示基于自第I層至第16層的平行四邊形格子的脈沖照射點(diǎn)的說明圖。
[0022]圖4作為本發(fā)明所涉及的實(shí)施例，是表示通過本發(fā)明的方法對(duì)第I層(a)至第4層(d)照射激光時(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的激光加工面的形狀圖。
[0023]圖5作為本發(fā)明所涉及的比較例，是表示以隨機(jī)移動(dòng)的方式對(duì)第I層(a)至第4層(d)照射激光時(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的激光加工面的形狀圖。
[0024]圖6是表示本發(fā)明所涉及的實(shí)施例及比較例中，表面粗糙度隨著層數(shù)而變化的實(shí)際激光加工試驗(yàn)結(jié)果 的曲線圖。
[0025]圖7是表示基于激光加工的激光加工法的說明圖。
[0026]符號(hào)說明
[0027]1-激光加工裝置，2-激光照射機(jī)構(gòu)，3-位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，C-控制部，Gl~G6-四邊形的重心，L-激光，Pl~P16-脈沖照射點(diǎn)，W-加工對(duì)象物。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下，參考圖1至圖3對(duì)本發(fā)明所涉及的激光加工裝置及激光加工方法的一實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0029]如圖1所示，本實(shí)施方式的激光加工裝置I為對(duì)加工對(duì)象物W照射激光L來進(jìn)行形狀形成的加工裝置，其具備:激光照射機(jī)構(gòu)2，以恒定的重復(fù)頻率對(duì)加工對(duì)象物W照射激光L并進(jìn)行掃描；位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3，能夠保持加工對(duì)象物W來對(duì)該加工對(duì)象物W與激光L的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整；及控制部C，控制這些機(jī)構(gòu)，并在進(jìn)行激光L的掃描時(shí)將加工區(qū)域設(shè)定為沿激光L的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，通過對(duì)各加工層照射激光L并去除每個(gè)加工層的預(yù)定部分來形成三維形狀的加工面。
[0030]上述位置調(diào)整機(jī)構(gòu)3由如下構(gòu)成:X軸載物臺(tái)4x，能夠在與水平面平行的X方向上移動(dòng)；-軸載物臺(tái)4y，設(shè)置于該X軸載物臺(tái)4x上且相對(duì)于X方向垂直并且能夠在與水平面平行的Y方向上移動(dòng) '及Z軸載物臺(tái)4z，設(shè)置于該Y軸載物臺(tái)4y上且在能夠保持加工對(duì)象物W的同時(shí)能夠在與水平面垂直的方向上移動(dòng)。
[0031]上述激光照射機(jī)構(gòu)2具備:激光光源5,振蕩出被Q開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)脈沖化的激光L ;光束擴(kuò)展器6，將來自該激光光源5的激光L的光束擴(kuò)展成一定直徑；電流掃描儀7，對(duì)來自該光束擴(kuò)展器6的激光L進(jìn)行掃描；f_ Θ透鏡8，對(duì)來自該電流掃描儀7的激光L進(jìn)行聚光并照射到加工對(duì)象物W上；及CXD攝像機(jī)9，為確認(rèn)被保持的加工對(duì)象物W的加工位置而進(jìn)行拍攝。另外，在光束擴(kuò)展器6前后的光路上配置反射鏡或波片等光學(xué)部件也無妨。
[0032]通過該激光照射機(jī)構(gòu)2射出的激光L為單模且光束截面的光強(qiáng)度分布呈高斯型分布。
[0033]作為上述激光光源5，可使用能夠照射出任一種波長為190?550nm的激光的激光光源，例如在本實(shí)施方式中使用了能夠振蕩出波長為266nm的激光而射出的激光光源。
[0034]上述電流掃描儀7配置在Z軸載物臺(tái)4z的正上方。并且，上述CXD攝像機(jī)9靠電流掃描儀7配置。
[0035]如圖2所示，上述控制部C具有如下作用:通過將對(duì)加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)作為脈沖照射點(diǎn)照射激光L來進(jìn)行加工，在多層加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，在第2層中，將四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第I層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)Pl構(gòu)成的四邊形Ql的重心Gl來作為脈沖照射點(diǎn)P2，在第3層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第I層及第2層中相鄰的脈沖照射點(diǎn)P1、P2構(gòu)成的四邊形Q2的重心G2來作為脈沖照射點(diǎn)P3，在第4層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第3層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)P3構(gòu)成的四邊形Q3的重心G3來作為脈沖照射點(diǎn)P4。另外，上述格點(diǎn)與脈沖照射點(diǎn)為俯視觀察與激光L的照射方向(z方向)垂直的面(χ-y平面)時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)。
[0036]并且，控制部C在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，第2個(gè)以后的周期中，在第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
[0037]此外，優(yōu)選使控制部C將第4層設(shè)定為加工層的最后一個(gè)加工層。
[0038]本實(shí)施方式中，在進(jìn)行激光L的掃描時(shí)，在掃描程序中以堆積多層加工層的方式進(jìn)行設(shè)定，以此對(duì)各加工層垂直照射激光L，在每個(gè)加工層中去除預(yù)定部分來逐漸形成三維形狀的加工面。因此在控制激光L的掃描時(shí)，首先沿激光L的照射方向?qū)⒓庸?duì)象物W分成多個(gè)加工層來進(jìn)行設(shè)定。
[0039]并且，在每個(gè)加工層中設(shè)定出從加工之前的形狀和基于設(shè)計(jì)而進(jìn)行加工之后的形狀中加工去除的部分，并在每個(gè)加工層中掃描激光L來去除預(yù)定部分，由此逐漸形成預(yù)定的加工面。
[0040]若更具體地對(duì)該激光加工方法進(jìn)行說明，則如圖7所示，首先控制部C通過激光L由加工對(duì)象物W的原始形狀加工成目標(biāo)立體形狀時(shí)，在垂直于Z軸的面上將要加工去除的立體形狀部分等間隔分割(分層)成多個(gè)加工層LY。
[0041]此時(shí)，層(加工層LY)的厚度取決于每脈沖時(shí)的能量與層內(nèi)的脈沖照射點(diǎn)的空間密度，但是層厚始終恒定時(shí)較容易控制，并且由層的階梯導(dǎo)致的相對(duì)于激光軸傾斜的面的凹凸變得均勻，因此優(yōu)選。因此，為了將層厚設(shè)為恒定，在加工中激光L的能量密度、激光L的重復(fù)頻率、及激光L的掃描速度及掃面線的間隔等條件始終被設(shè)定為恒定。因此將所有層的脈沖照射點(diǎn)分布設(shè)為相同形狀及相同尺寸的四角格子成為必要條件。
[0042]控制部C在層加工法的上述條件下將脈沖照射點(diǎn)的分布均勻化，來設(shè)定其格點(diǎn)成為脈沖照射點(diǎn)的四角格子的形狀。即，設(shè)定四角格子的激光掃描線內(nèi)的脈沖照射點(diǎn)之間的距離、相鄰激光掃描線的間隔、脈沖照射點(diǎn)的激光掃描線之間的偏離量(相鄰激光掃描線中最靠近的脈沖照射點(diǎn)之間的激光掃描線方向的距離)及各激光掃描線的掃描起點(diǎn)等。并且，此時(shí)，如圖2的(a)所示，激光的截面強(qiáng)度分布為較理想的高斯型時(shí)，四角格子優(yōu)選設(shè)為正方形格子，而在激光的截面強(qiáng)度分布中存在各向異性時(shí)，根據(jù)其形狀的變形而設(shè)為長方形格子或平行四邊形格子才可降低表面粗糙度。
[0043]并且，以上述設(shè)定開始加工層的加工。如圖2的(a)所示，首先，在加工層的第I層的加工中，將預(yù)定的四角格子的格點(diǎn)作為第I層的脈沖照射點(diǎn)Pl來進(jìn)行激光L的掃描。另夕卜，圖中的箭頭表示激光L的掃描方向。
[0044]接著，如圖2的(a)和(b)所示，在第2層的加工中，將四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第I層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)Pl構(gòu)成的第I四邊形Ql的重心Gl來作為第2層的脈沖照射點(diǎn)P2，并進(jìn)行激光L的掃描。
[0045]進(jìn)而，如圖2的(b)和(C)所示，在第3層的加工中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第I層及第2層中相鄰的脈沖照射點(diǎn)P1、P2構(gòu)成的第2四邊形Q2的重心G2來作為第3層的脈沖照射點(diǎn)P3，并進(jìn)行激光L的掃描。
[0046]并且，作為I個(gè)周期的最后，在第4層的加工中，如圖2的(C)和(d)所示，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第3層中相鄰的4個(gè)脈沖照射點(diǎn)P3構(gòu)成的第3四邊形Q3的重心G3來作為照射點(diǎn)P4，并進(jìn)行激光L的掃描。
[0047]以此結(jié)束對(duì)加工層的第I周期中的4個(gè)層的加工。之后，在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，即當(dāng)被分層的層數(shù)超過4層時(shí)，同樣重復(fù)所述I個(gè)周期的激光加工。
[0048]例如，將四角格子設(shè)為平行四邊形格子時(shí)，若對(duì)于將總層數(shù)設(shè)為16層而加工至4個(gè)周期時(shí)的脈沖照射點(diǎn)進(jìn)行說明，則如圖3所示，第2個(gè)以后的周期中，在第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
[0049]S卩，如圖3的(a)所示，第I周期中4個(gè)層的脈沖照射點(diǎn)Pl?P4被設(shè)定為平行四邊形格子的格點(diǎn)時(shí)，如圖3的(b)所示，在第2周期中的第I層中，將所述平行四邊形格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第I周期中相鄰的脈沖照射點(diǎn)Pl?P4構(gòu)成的第4四邊形Q4的重心G4來作為脈沖照射點(diǎn)P5，并進(jìn)行激光L的掃描。并且，從第2周期中的第2層至第4層，即從最初算起第5層至第8層為止的3個(gè)層以第5層的脈沖照射點(diǎn)P5作為基準(zhǔn)，與第I周期同樣設(shè)定第6層的脈沖照射點(diǎn)P6、第7層的脈沖照射點(diǎn)P7及第8層的脈沖照射點(diǎn)P8，并依次進(jìn)行激光L的掃描。
[0050]另外,如圖3的(b)所示,將所述平行四邊形格子的格點(diǎn)如圖3的(C)所示挪動(dòng)到由上一周期(第I周期及第2周期)為止相鄰的脈沖照射點(diǎn)Pl?P8構(gòu)成的任一第5四邊形Q5的重心G5來作為第3周期的第I層，即從最初算起第9層的脈沖照射點(diǎn)P9，并進(jìn)行激光L的掃描。并且，從第3周期的第2層至第4層為止，即從最初算起第10層到第12層為止的3個(gè)層以第9層的脈沖照射點(diǎn)P9作為基準(zhǔn)，與第I周期同樣設(shè)定第10層的脈沖照射點(diǎn)P10、第11層的脈沖照射點(diǎn)Pll及第12層的脈沖照射點(diǎn)P12，并依次進(jìn)行激光L的掃描。
[0051]接著，將所述平行四邊形格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由第3周期中相鄰的脈沖照射點(diǎn)P9?P12構(gòu)成的第6四邊形Q6的重心G6來作為第4周期的第I層，即從最初算起第13層的脈沖照射點(diǎn)P13，并進(jìn)行激光L的掃描。并且，從第4周期中的第2層至第4層為止，即從最初算起第14層到第16層為止的3個(gè)層以第13層的脈沖照射點(diǎn)P13作為基準(zhǔn)，與第I周期同樣設(shè)定第14層的脈沖照射點(diǎn)P14、第15層的脈沖照射點(diǎn)P15及第16層的脈沖照射點(diǎn)P16，并依次進(jìn)行激光L的掃描。
[0052]如此，將下一個(gè)周期的第I層中的脈沖照射點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止彼此相鄰的脈沖照射點(diǎn)圍繞的任一四邊形的重心來設(shè)定為該周期的4層的脈沖照射點(diǎn)，由此相鄰的脈沖照射點(diǎn)之間的空間被脈沖照射點(diǎn)填滿，每當(dāng)重復(fù)上述周期時(shí)該空間逐漸縮小，從而能夠漸漸縮小由加工痕引起的凹凸。
[0053]因此，本實(shí)施方式的激光加工裝置I及激光加工方法中，在多層加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層，對(duì)于第2層至第4層如上所述通過分別挪動(dòng)四角格子的格點(diǎn)來作為脈沖照射點(diǎn)，從而與在x-y方向上隨機(jī)移動(dòng)格點(diǎn)為脈沖照射點(diǎn)的四角格子來層疊時(shí)相比，能夠縮小由脈沖痕引起的凹凸。
[0054]并且，在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，第2個(gè)以后的周期中，在第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)，因此能夠進(jìn)一步減少凹凸。尤其通過將第4層設(shè)定為最后一個(gè)加工層，能夠使表面粗糙度變得極小。
[0055][實(shí)施例]
[0056]接著，對(duì)利用上述實(shí)施方式的激光加工裝置對(duì)加工對(duì)象物的表面進(jìn)行激光加工時(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明。
[0057]本模擬實(shí)驗(yàn)中，作為上述四邊形格子設(shè)定為邊長大小為2.5 μ m的正方形格子，如圖4的(a)?(d)所示，計(jì)算出對(duì)第I周期的第I層(a)至第4層(d)為止的加工層進(jìn)行加工時(shí)的加工對(duì)象物的表面狀態(tài)的凹凸。
[0058]另外，該模擬實(shí)驗(yàn)中，假定在I個(gè)脈沖照射點(diǎn)中，在加工對(duì)象物的加工表面上產(chǎn)生由下列高斯函數(shù)規(guī)定的截面形狀的加工痕來計(jì)算。
[0059]高斯函數(shù):z= -exp (_x2_y2)
[0060]如從該模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，每當(dāng)疊層時(shí)凹凸即被消除，從而獲得平滑的加工面。另夕卜，達(dá)到第4層時(shí)，表面粗糙度Rz (最大高度)為0.029 μ m。
[0061]另外，作為比較例，與上述實(shí)施例相同，作為四邊形格子設(shè)定為邊長大小為2.5μπι的正方形格子，將所有層在x-y方向上僅移動(dòng)相當(dāng)于隨機(jī)的量，如圖5的(a)?(d)所示，計(jì)算出對(duì)第I周期中第I層(a)至第4層(d)為止的加工層進(jìn)行加工時(shí)的加工對(duì)象物的表面狀態(tài)的凹凸。
[0062]如從該模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以隨機(jī)挪動(dòng)來進(jìn)行激光加工的比較例中，即使疊層也沒有消除凹凸，每當(dāng)疊層時(shí)凹凸變大。另外，達(dá)到第4層時(shí)，表面粗糙度Rz (最大高度)為
1.878 μ mD
[0063]接著，將鋁板(加工前的表面粗糙度Rz:約0.2ym)作為加工對(duì)象物時(shí)，將進(jìn)行本發(fā)明的激光加工時(shí)的加工層的層數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系(圖中“有規(guī)則地層疊正方形格子”)示于圖6。
[0064]將此時(shí)的激光條件設(shè)為:波長為266nm，重復(fù)頻率為100kHz，功率為2W。并且作為上述四邊形格子設(shè)定為邊長大小為6 μ m的正方形格子。另外，曲線圖中標(biāo)會(huì)的為表面粗糙度的實(shí)測值，虛線及實(shí)線為肉眼觀察這些標(biāo)會(huì)而擬合的線。
[0065]并且，作為比較例，與上述實(shí)施例相同，作為四邊形格子設(shè)定為邊長大小為6 μ m的正方形格子，將所有層在χ-y方向上僅移動(dòng)相當(dāng)于隨機(jī)的量來進(jìn)行與上述相同層數(shù)的加工時(shí)(圖中的“隨機(jī)移動(dòng)來層疊正方形格子”)，也一并在圖6中示出。另外，對(duì)于與上述比較例同樣以隨機(jī)移動(dòng)來進(jìn)行加工，僅對(duì)其中4層(第10至第13層)進(jìn)行與本發(fā)明的第I層至第4層相同的激光加工時(shí)(圖中“隨機(jī)移動(dòng)來層疊正方形格子”(實(shí)線部))，也一并在圖6中示出。
[0066]從這些結(jié)果可知，在本發(fā)明的激光加工方法中對(duì)所有層進(jìn)行加工時(shí)，從第I層起每當(dāng)積累層數(shù)時(shí)表面粗糙度就變小，與此相比，在以隨機(jī)移動(dòng)來對(duì)所有層進(jìn)行加工的比較例中，每當(dāng)積累層數(shù)時(shí)表面粗糙度就會(huì)變大。并且，相對(duì)于以隨機(jī)移動(dòng)來對(duì)所有層進(jìn)行加工的比較例，在通過本發(fā)明的激光加工方法僅對(duì)總層數(shù)中的一部分進(jìn)行層加工的例子中，表面粗糙度變小，通過至少有一部分被規(guī)則化的本發(fā)明的激光加工方法來加工，能夠獲得降低表面粗糙度的效果。
[0067]另外，本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于上述實(shí)施方式及上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)能夠施以各種變更。
【權(quán)利要求】
1.一種激光加工裝置，其為通過對(duì)加工對(duì)象物照射脈沖激光來進(jìn)行形狀形成的加工裝置，其特征在于，具備: 脈沖激光照射機(jī)構(gòu)，以恒定的重復(fù)頻率對(duì)所述加工對(duì)象物照射所述激光并進(jìn)行掃描；位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，能夠保持所述加工對(duì)象物來對(duì)該加工對(duì)象物與所述激光的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整；及 控制部，控制這些機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行所述激光的掃描時(shí)將所述加工區(qū)域設(shè)定為沿所述激光的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，通過對(duì)各加工層照射所述激光并去除每個(gè)所述加工層的預(yù)定部分來形成三維形狀的加工面， 該控制部通過將對(duì)所述加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)作為脈沖照射點(diǎn)而照射所述激光來進(jìn)行加工， 在多層所述加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為I個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層， 在所述第2層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)， 在所述第3層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層及所述第2層中相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)， 在所述第4層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第3層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述控制部在連續(xù)重復(fù)所述I個(gè)周期時(shí)，第2個(gè)以后的周期中，在所述第I層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由到上一周期為止相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的任一四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光加工裝置，其特征在于， 所述控制部將所述第4層設(shè)定為最后一個(gè)所述加工層。
4.一種激光加工方法，其為通過對(duì)加工對(duì)象物照射脈沖激光來進(jìn)行形狀形成的加工方法，其特征在于，具有: 激光照射工序，在該工序中以恒定的重復(fù)頻率對(duì)所述加工對(duì)象物照射所述激光并進(jìn)行掃描 '及 位置調(diào)整工序，在該工序中能夠保持所述加工對(duì)象物來對(duì)該加工對(duì)象物與所述激光的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整， 在進(jìn)行所述激光的掃描時(shí)，將所述加工區(qū)域設(shè)定為沿所述激光的照射方向堆積多層加工層的區(qū)域，通過對(duì)各加工層照射所述激光并去除每個(gè)所述加工層的預(yù)定部分來形成三維形狀的加工面， 在對(duì)所述加工層設(shè)定的虛擬四角格子的格點(diǎn)上照射所述激光來進(jìn)行加工， 在多層所述加工層中，將以加工順序?yàn)樽缘贗層至第4層的連續(xù)的4個(gè)層作為1個(gè)周期，至少包含相當(dāng)于I個(gè)周期的層， 在所述第2層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)， 在所述第3層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第I層及所述第2層中相鄰的所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)， 在所述第4層中，將所述四角格子的格點(diǎn)挪動(dòng)到由所述第3層中相鄰的4個(gè)所述脈沖照射點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的重心來作為脈沖照射點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】B23K26/00GK103464892SQ201310218251
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】久保拓矢, 高橋正訓(xùn), 日向野哲 申請人:三菱綜合材料株式會(huì)社