專利名稱：用于制造一種型鍛的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造根據(jù)獨(dú)立權(quán)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(shù)：
可借助激光束制造細(xì)工型鍛(Filigree swaging)。圖1展示用于此工序的已知裝置。1表示激光源，2表示開關(guān)(光學(xué)或電的)，3表示聚焦控制器件，4表示光束導(dǎo)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(yīng))，9表示工件臺(tái)，10表示激光束，且11表示工作臺(tái)的z軸調(diào)整裝置。如示意性地展示，將投影平面看作x-z平面。y軸垂直于投影平面。
在激光器1中產(chǎn)生激光束10。2代表可設(shè)計(jì)成q開關(guān)的接通/斷開追蹤器(ON/OFFtracer)以及強(qiáng)度控制裝置。經(jīng)追蹤且必要時(shí)經(jīng)水平控制(level controlled)的激光接著到達(dá)聚焦控制器件3，此聚焦控制器件可在z方向上調(diào)整焦點(diǎn)位置。其后，激光穿過可由(例如)彼此定位成直角的鏡面所組成的光束導(dǎo)向器4。所述鏡面能在規(guī)定的角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)且因此可實(shí)現(xiàn)在x-y平面中控制在工件6上激光束10的照射點(diǎn)。
分別通過液化和蒸發(fā)工件表面上的材料來燒蝕所述材料。為此目的，將激光束的焦點(diǎn)定位于工件表面上以便有高面積性能輸入(area performance input)，以使得材料熔化并蒸發(fā)且因此被去除。根據(jù)用于待制造型鍛的型鍛數(shù)據(jù)，在暴露表面上逐區(qū)域地引導(dǎo)激光束。6指示已制造的(部分的)型鍛，6a代表所要的完工型鍛的外部表面。分層進(jìn)行燒蝕。當(dāng)已燒蝕一層時(shí)，將工件臺(tái)9與工件5一起提升對(duì)應(yīng)于一個(gè)層的高度，以便可燒蝕下一層。
調(diào)焦裝置3用于補(bǔ)償非平面球蓋(spherical cap)，所述非平面球蓋通常為球形的且當(dāng)在x和y方向上偏轉(zhuǎn)的情況下激光束的焦點(diǎn)在該球蓋上移動(dòng)。將參看圖3更詳細(xì)解釋此。
控制裝置7控制個(gè)別組件(激光器1、開關(guān)和強(qiáng)度控制裝置2、調(diào)焦裝置3、光束導(dǎo)向器4、z軸11)。其通過參考可為(例如)CAD數(shù)據(jù)的型鍛數(shù)據(jù)12且如果必要可參考其它參數(shù)來獲得待引入的數(shù)據(jù)。
圖2更詳細(xì)地展示調(diào)焦裝置3。分別來自激光器1和開關(guān)2的激光束10首先穿過發(fā)散透鏡21且接著穿過一個(gè)或多個(gè)會(huì)聚透鏡22、23。發(fā)散透鏡21可通過調(diào)整裝置24在z方向上重新定位。由此產(chǎn)生不同的光線路線并導(dǎo)致一事實(shí)，即對(duì)應(yīng)于發(fā)散透鏡21的重新定位，焦點(diǎn)位置最后也將在z方向上重新定位。示意性地指示了兩個(gè)光線路線，即，一個(gè)用實(shí)線指示而另一個(gè)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(chǎn)生不同的焦點(diǎn)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展示用于制造型鍛的常見方法和調(diào)焦裝置的常見應(yīng)用。在圖3中，且大體上在此描述中，相同組件由相同參考數(shù)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(shí)施例中，沿規(guī)定路徑以箭頭30的方向在區(qū)域上引導(dǎo)激光束10。材料在被照射時(shí)分別熔化并蒸發(fā)，且因此被去除。32表示以下待制造的型鍛部分的外部表面。33表示已暴露的表面。當(dāng)借助可旋轉(zhuǎn)鏡面在x和y方向上引導(dǎo)激光時(shí)，激光的焦點(diǎn)20不是在空間中的一平面上移動(dòng)，而是在大體上球形的、拱形球蓋34上移動(dòng)。這容易導(dǎo)致當(dāng)在區(qū)域上引導(dǎo)激光束時(shí)，在待燒蝕的層內(nèi)的激光束及其焦點(diǎn)20充其量?jī)H在該層的某些部分中。在其它區(qū)域中，激光束的焦內(nèi)(intrafocal)或焦外(extrafocal)部分將照射材料的表面，結(jié)果是能量密度將不夠高，材料不會(huì)蒸發(fā)或僅輕微地蒸發(fā)，且因此燒蝕性能將降低或變得很不均勻。
為了補(bǔ)償此效應(yīng)，在已知燒蝕方法和燒蝕裝置中分別使用了調(diào)焦裝置。最終，其校正了在易于調(diào)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(diǎn)位置差異。因此，調(diào)焦裝置取決于激光束的各別的瞬時(shí)x位置和y位置而改變z方向上的焦點(diǎn)位置，以便將焦點(diǎn)調(diào)整到對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)燒蝕的層31a的平面35。
當(dāng)已完全燒蝕一層時(shí)，z軸機(jī)械地跟隨下降一個(gè)層的高度。在圖1中，此可(例如)通過借助位置構(gòu)件11來提升工件臺(tái)9而進(jìn)行。通過此調(diào)整，以類似方法燒蝕下一層(31b)。此方法的弊端在于在z方向上機(jī)械引導(dǎo)該型鍛頗耗時(shí)。這在其中在z方向上的調(diào)整時(shí)間比用于燒蝕一層的機(jī)器加工時(shí)間更長(zhǎng)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代表有待最后制成的型鍛的所要的(理論上的)外部表面。然而，歸因于分層燒蝕，事實(shí)上結(jié)果是如33處所展示的非理想的但真實(shí)的路線歸因于分層燒蝕，側(cè)壁呈臺(tái)階狀延伸，臺(tái)階的高度對(duì)應(yīng)于層的厚度。取決于型鍛外部表面的所要質(zhì)量，可將這看作或大或小的弊端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于形成型鍛的一種方法和一種裝置，其也允許快速制造小的型鍛并形成型鍛的光滑的外部表面。
此目的是借助獨(dú)立權(quán)利要求的特征來實(shí)現(xiàn)。附屬權(quán)利要求針對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
在用于在工件中制造型鍛的方法中，在工件的表面上通過光束導(dǎo)向器來引導(dǎo)激光束以制造型鍛。以如此方式控制激光束的焦點(diǎn)位置以使得可至少暫時(shí)地在型鍛的深度方向上改變焦點(diǎn)位置。
在根據(jù)本發(fā)明的一種方法中，通過借助調(diào)焦裝置(而不是機(jī)械導(dǎo)向器)來引導(dǎo)焦點(diǎn)位置，而在z方向上遵循個(gè)別的層是可能的。因此，在從一個(gè)層到下一層的過渡時(shí)，型鍛深度方向上的激光束的焦點(diǎn)位置被引導(dǎo)到可變的值。
然而，也可當(dāng)在一層內(nèi)進(jìn)行燒蝕期間實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束焦點(diǎn)位置的可變調(diào)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(diào)整焦點(diǎn)位置以使得y方向上的焦點(diǎn)相對(duì)于瞬時(shí)燒蝕的層具有規(guī)定位置，例如，其以規(guī)定方式定位于層中或自其偏移。
一種用于制造型鍛的裝置包含激光源、調(diào)焦裝置、光束導(dǎo)向器和用于所述組件的控制裝置。所述控制裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以將焦點(diǎn)位置至少暫時(shí)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(shí)施例，其中圖1示意性描述了用于制造型鍛的裝置的結(jié)構(gòu)；圖2描述了光線的路線，特別是在調(diào)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(jù)本發(fā)明的第一方法；圖5描述了一圖式以說明根據(jù)本發(fā)明的另一方法；圖6描述了一圖式以說明根據(jù)本發(fā)明的另一方法；圖7描述了一圖式以說明根據(jù)本發(fā)明的另一方法；圖8描述了一圖式以說明根據(jù)本發(fā)明的另一方法。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的方法可通過適當(dāng)設(shè)計(jì)圖1中的控制裝置7或適當(dāng)控制圖1和圖2中的調(diào)焦裝置3來分別實(shí)現(xiàn)。圖4示意性展示待制造的型鍛的“分層圖”。40代表了希望是最終產(chǎn)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……接著位于其下。此意味最終通過分層燒蝕而在箭頭44的方向上進(jìn)行操作。在燒蝕一層后，可借助調(diào)焦裝置3(由控制裝置7來觸發(fā))來改變焦點(diǎn)位置而趨近下一層。此意味在燒蝕一層后，通過適當(dāng)控制調(diào)焦裝置3，在圖4中焦點(diǎn)被整體地向下移動(dòng)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(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置補(bǔ)償。只要調(diào)焦裝置3的可用行程允許，可將焦點(diǎn)位置引導(dǎo)到個(gè)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(bǔ)償焦點(diǎn)位置。行程的另外的可利用部分可用于控制個(gè)別層。當(dāng)已達(dá)到最大可能的行程時(shí)，可在若干層后沿z軸進(jìn)行機(jī)械引導(dǎo)(圖1中之位置構(gòu)件11)。接著，通過將焦點(diǎn)位置調(diào)整Δz可再次進(jìn)行到若干層的若干引導(dǎo)。
因此，可整體地交替執(zhí)行機(jī)械引導(dǎo)和借助焦點(diǎn)位置調(diào)整的一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)。如果調(diào)焦裝置3的可利用行程允許，那么可(例如)通過相應(yīng)地引導(dǎo)焦點(diǎn)位置而逐一趨近20個(gè)層。接下來，沿z方向執(zhí)行21個(gè)層的厚度的機(jī)械引導(dǎo)，且可再次通過焦點(diǎn)位置調(diào)整而趨近復(fù)數(shù)個(gè)層，例如20個(gè)層。
由于焦點(diǎn)位置調(diào)整比沿z軸的機(jī)械引導(dǎo)快很多(必要控制步驟的啟動(dòng)和隨后反復(fù)切換到燒蝕控制所耗的時(shí)間取代重定位時(shí)間而成為后者的重要值)，因此總體上有可能節(jié)省時(shí)間。
圖5展示根據(jù)本發(fā)明的另一方法。燒蝕不再在平面層中執(zhí)行而是在非平面層51、52、53……中執(zhí)行。沿箭頭54的方向逐層進(jìn)行操作。如圖所示，所述層可通過遵循有待最后制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(nèi)保持恒定(即，當(dāng)趨近外部表面40時(shí)，一層比一層薄)的預(yù)定距離(通過“平行于外部表面”)來形成?？蓮目刂蒲b置7中的型鍛數(shù)據(jù)12計(jì)算出此等個(gè)別層，且接著，一方面通過光束導(dǎo)向器4且另一方面通過連續(xù)聚焦控制器件3來插入所述層。光束導(dǎo)向器4實(shí)現(xiàn)在x和y方向上對(duì)激光束的控制，而調(diào)焦裝置3控制在z方向上的焦點(diǎn)位置，以使得相對(duì)于剛被燒蝕的層，焦點(diǎn)具有一規(guī)定位置，例如，位于其內(nèi)側(cè)。
關(guān)于這一點(diǎn)，應(yīng)注意，焦點(diǎn)位置在z方向上的變化(即，當(dāng)激光束沒有照射平行于z軸的型鍛表面時(shí))也可影響焦點(diǎn)的照射點(diǎn)的x和y坐標(biāo)。分別通過控制裝置和對(duì)控制數(shù)據(jù)的確定而適當(dāng)顧及這一點(diǎn)。
如參看圖3所描述，理論上，可將焦點(diǎn)位置調(diào)整器件想象為由兩個(gè)疊加組件所組成，即，一方面是根據(jù)待燒蝕層的所要形狀的控制裝置，而另一方面是用于補(bǔ)償球蓋的控制裝置。就數(shù)目來說，此等組件可單獨(dú)地或可作為一單元而獲得。
所述個(gè)別層彼此相比較來說可具有恒定的或不同的厚度。詳細(xì)來說，靠近外部表面的層可比遠(yuǎn)離外部表面的層更薄。單個(gè)層也可具有恒定厚度，但并非必需。
圖6展示一實(shí)施例，其中執(zhí)行分層燒蝕使得最后再次制造“平行于外部表面”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(xiàn)為在型鍛邊緣66處的層厚度小于在型鍛中心67處的層厚度。
圖7展示一實(shí)施例，其中混合采用了不同燒蝕方法。當(dāng)接近于獲得具有待最后制成的型鍛的外部表面40的型鍛時(shí)，可燒蝕所述材料以制造具有平行于所述外部表面的層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(huì)展示由圖3中參考數(shù)字33所指示的分級(jí)。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。最后，圖7展示了圖4和圖6的混合形式。首先，根據(jù)圖4中的方法執(zhí)行操作。在這里，可燒蝕較厚層(例如3-20μm)，其中在個(gè)別層中進(jìn)行燒蝕，不深入到已完工型鍛的各別、實(shí)際可接近的外部表面，而是在此之前停止(即在型鍛的“較內(nèi)側(cè)”停止)。此由沿箭頭44方向(操作方向)的個(gè)別層41、42、43代表?？稍诿恳粚拥膬?nèi)側(cè)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于外部表面的機(jī)器加工(其具有較薄層(1-3μm))。
以此方式，就將以粗糙層進(jìn)行快速燒蝕的優(yōu)點(diǎn)和在型鍛制造的最后階段通過平行于外部表面的層(其可至少在最外側(cè)較薄)來精確制造外部表面的優(yōu)點(diǎn)組合起來?？梢胛挥诮裹c(diǎn)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。那么，連續(xù)的焦點(diǎn)控制和對(duì)應(yīng)的計(jì)算和控制工作將不再需要。
圖8展示一實(shí)施例，其中也根據(jù)焦點(diǎn)調(diào)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(fā)生在焦點(diǎn)調(diào)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(gè)部分86、87，且相應(yīng)地被劃分成本身可被當(dāng)作部分型鍛且各自在聚焦控制裝置的可利用行程內(nèi)可被充分接近的制造部分84、85?？稍趯?duì)應(yīng)區(qū)段86、87內(nèi)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(shí)施例，其中個(gè)別“部分型鍛”86、87各自受到如圖5中所述的機(jī)器加工。這些部分型鍛經(jīng)規(guī)定以使得可分別在調(diào)焦裝置3的一行程內(nèi)制造它們，其中有可能可選擇地考慮球蓋補(bǔ)償所需的中心(hub)部分，尤其使得不可將其用于在深度方向上制造型鍛。此方法的優(yōu)勢(shì)在于外部表面40上的不連續(xù)性僅在部分型鍛的“接縫”88處發(fā)生，因?yàn)閷?duì)于剩下的部分來說，可再次平行于外部表面而進(jìn)行操作。也可根據(jù)圖6或圖7來機(jī)器加工部分型鍛86和87，而不是對(duì)應(yīng)于圖5來機(jī)器加工這些部分型鍛。
優(yōu)選地，深度傳感器8是一個(gè)感應(yīng)位置的深度傳感器。其可獲得個(gè)別x-y位置的在z方向上的各別深度和尺寸。優(yōu)選地，其實(shí)時(shí)執(zhí)行，(例如)通過適當(dāng)評(píng)估在激光束機(jī)器加工的各別瞬時(shí)點(diǎn)處的過程輻射(process radiation)來執(zhí)行。因此，創(chuàng)建一指示型鍛的取決于各別x和y坐標(biāo)的各別深度的“映射圖”。也可能通過參考此等測(cè)量數(shù)據(jù)來調(diào)整焦點(diǎn)控制。
通常，可通過大體上控制激光功率或激光參數(shù)(功率、追蹤、引導(dǎo)速度……)來控制瞬時(shí)燒蝕的厚度。這種對(duì)燒蝕性能的控制可為位置可變的，尤其取決于瞬時(shí)x和y坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種用于在工件中制造型鍛的方法，其中通過光束導(dǎo)向器在所述工件的表面上引導(dǎo)激光束，以便制造所述型鍛，其特征在于，以如此方式控制所述激光束的焦點(diǎn)位置以使得可至少暫時(shí)在所述型鍛的深度方向上改變所述焦點(diǎn)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過分層燒蝕來進(jìn)行所述型鍛的制造，且所述激光束的所述焦點(diǎn)位置經(jīng)控制以使得所述焦點(diǎn)位置相對(duì)于瞬時(shí)燒蝕的層具有規(guī)定位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過控制所述激光束的所述焦點(diǎn)位置來完成從一個(gè)層到下一層的過渡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，在非平面層中進(jìn)行所述燒蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，至少部分在遵循或類似于完工的型鍛的外部表面或平行于所述外部表面的層中進(jìn)行所述燒蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在一第一步驟中通過燒蝕未達(dá)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于或遵循所述完工的型鍛的所述外部表面或平行于所述外部表面的層，來進(jìn)行所述型鍛的制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在具有一非恒定厚度的層中進(jìn)行所述燒蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，一層在其邊緣處的厚度小于在中間處的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，也根據(jù)焦點(diǎn)調(diào)整的可利用行程來獲得所述個(gè)別層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，獲得諸層以使得可在所述焦點(diǎn)調(diào)整的所述行程內(nèi)控制所述層。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，根據(jù)所要的燒蝕性能而在所述型鍛的深度方向上控制所述激光束的所述焦點(diǎn)位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，至少部分地獲得并燒蝕諸層，使得所述層位于球蓋上，其中如果所述激光束由所述光束導(dǎo)向器引導(dǎo)，那么所述激光束的所述焦點(diǎn)在所述球蓋上移動(dòng)。
13.一種用于在工件(5)中制造型鍛(6)、且尤其用于執(zhí)行根據(jù)前述權(quán)利要求中一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求所述的方法的裝置，其特征在于，包含用于制造一激光束以用于去除材料的激光源(1)；用于調(diào)整所述激光束的焦點(diǎn)位置的調(diào)焦裝置(3)；用于在所述工件的所述表面上引導(dǎo)所述激光束(20)的光束導(dǎo)向器(4)；和用于控制所述調(diào)焦裝置(3)和所述光束導(dǎo)向器(4)的控制裝置(7)；其特征在于所述控制裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以借助所述調(diào)焦裝置(3)將所述激光束的所述焦點(diǎn)位置至少暫時(shí)控制到所述型鍛的深度方向上的可變值。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，用于測(cè)量所述型鍛(6)中的深度的傳感器(8)，且所述控制裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以根據(jù)所述傳感器的輸出來控制所述激光束的燒蝕性能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在工件中制造型鍛的方法，其中在工件的表面上通過光束導(dǎo)向器來引導(dǎo)激光束，以便制造所述型鍛。以如此方式控制激光束的焦點(diǎn)位置以使得可至少暫時(shí)地在所述型鍛的深度方向上改變?cè)摻裹c(diǎn)位置。一種用于在工件(5)中制造型鍛(6)的裝置具有用于制造用于去除材料的激光束的激光源(1)、用于調(diào)整激光束的焦點(diǎn)位置的調(diào)焦裝置(3)、用于在工件的表面上引導(dǎo)激光束(20)的光束導(dǎo)向器(4)和用于控制調(diào)焦裝置(3)和光束導(dǎo)向器(4)的控制裝置(7)。所述控制裝置經(jīng)設(shè)計(jì)以借助調(diào)焦裝置(3)將激光束的焦點(diǎn)位置至少暫時(shí)地控制到所述型鍛的深度方向上的可變值。
文檔編號(hào)B23K26/08GK1795072SQ200480014341
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月28日
發(fā)明者彼得·希爾德布蘭德, 馬丁·里斯威士, 邁克爾·庫(kù)爾, 哥特弗雷德·萊尼克 申請(qǐng)人:德國(guó)索爾公司