用于制造一种型锻的方法和装置的制作方法

专利名称：用于制造一种型锻的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造根据独立权利要求的序言的型锻的一种方法和一种装置。WO00/18535中揭示了此方法和此装置。
背景技术：
可借助激光束制造细工型锻(Filigree swaging)。图1展示用于此工序的已知装置。1表示激光源，2表示开关(光学或电的)，3表示聚焦控制器件，4表示光束导向器，5表示工件，6表示型锻，7表示控制装置，8表示传感器(深度传感器，位置感应)，9表示工件台，10表示激光束，且11表示工作台的z轴调整装置。如示意性地展示，将投影平面看作x-z平面。y轴垂直于投影平面。
在激光器1中产生激光束10。2代表可设计成q开关的接通/断开追踪器(ON/OFFtracer)以及强度控制装置。经追踪且必要时经水平控制(level controlled)的激光接着到达聚焦控制器件3，此聚焦控制器件可在z方向上调整焦点位置。其后，激光穿过可由(例如)彼此定位成直角的镜面所组成的光束导向器4。所述镜面能在规定的角度范围内旋转且因此可实现在x-y平面中控制在工件6上激光束10的照射点。
分别通过液化和蒸发工件表面上的材料来烧蚀所述材料。为此目的，将激光束的焦点定位于工件表面上以便有高面积性能输入(area performance input)，以使得材料熔化并蒸发且因此被去除。根据用于待制造型锻的型锻数据，在暴露表面上逐区域地引导激光束。6指示已制造的(部分的)型锻，6a代表所要的完工型锻的外部表面。分层进行烧蚀。当已烧蚀一层时，将工件台9与工件5一起提升对应于一个层的高度，以便可烧蚀下一层。
调焦装置3用于补偿非平面球盖(spherical cap)，所述非平面球盖通常为球形的且当在x和y方向上偏转的情况下激光束的焦点在该球盖上移动。将参看图3更详细解释此。
控制装置7控制个别组件(激光器1、开关和强度控制装置2、调焦装置3、光束导向器4、z轴11)。其通过参考可为(例如)CAD数据的型锻数据12且如果必要可参考其它参数来获得待引入的数据。
图2更详细地展示调焦装置3。分别来自激光器1和开关2的激光束10首先穿过发散透镜21且接着穿过一个或多个会聚透镜22、23。发散透镜21可通过调整装置24在z方向上重新定位。由此产生不同的光线路线并导致一事实，即对应于发散透镜21的重新定位，焦点位置最后也将在z方向上重新定位。示意性地指示了两个光线路线，即，一个用实线指示而另一个用虚线指示。透镜的位置分别由P1和P2表示。伴随不同的位置P1和P2，产生不同的焦点位置f1和f2。其由20-1和20-2表示，且彼此相差Δz。Δz的可能的最大值称作一行程。
图3展示用于制造型锻的常见方法和调焦装置的常见应用。在图3中，且大体上在此描述中，相同组件由相同参考数字表示。6代表已部分完成的型锻。31a、31b和31c代表将被逐一烧蚀的层。在如图所示的实施例中，沿规定路径以箭头30的方向在区域上引导激光束10。材料在被照射时分别熔化并蒸发，且因此被去除。32表示以下待制造的型锻部分的外部表面。33表示已暴露的表面。当借助可旋转镜面在x和y方向上引导激光时，激光的焦点20不是在空间中的一平面上移动，而是在大体上球形的、拱形球盖34上移动。这容易导致当在区域上引导激光束时，在待烧蚀的层内的激光束及其焦点20充其量仅在该层的某些部分中。在其它区域中，激光束的焦内(intrafocal)或焦外(extrafocal)部分将照射材料的表面，结果是能量密度将不够高，材料不会蒸发或仅轻微地蒸发，且因此烧蚀性能将降低或变得很不均匀。
为了补偿此效应，在已知烧蚀方法和烧蚀装置中分别使用了调焦装置。最终，其校正了在易于调整的球盖34与由直线35所代表的平面中的所要位置之间的焦点位置差异。因此，调焦装置取决于激光束的各别的瞬时x位置和y位置而改变z方向上的焦点位置，以便将焦点调整到对应于瞬时烧蚀的层31a的平面35。
当已完全烧蚀一层时，z轴机械地跟随下降一个层的高度。在图1中，此可(例如)通过借助位置构件11来提升工件台9而进行。通过此调整，以类似方法烧蚀下一层(31b)。此方法的弊端在于在z方向上机械引导该型锻颇耗时。这在其中在z方向上的调整时间比用于烧蚀一层的机器加工时间更长的小型锻的情况中显示地尤为突出。
图3展示已知分层烧蚀的另一弊端32代表有待最后制成的型锻的所要的(理论上的)外部表面。然而，归因于分层烧蚀，事实上结果是如33处所展示的非理想的但真实的路线归因于分层烧蚀，侧壁呈台阶状延伸，台阶的高度对应于层的厚度。取决于型锻外部表面的所要质量，可将这看作或大或小的弊端。

发明内容
本发明的目的是提供用于形成型锻的一种方法和一种装置，其也允许快速制造小的型锻并形成型锻的光滑的外部表面。
此目的是借助独立权利要求的特征来实现。附属权利要求针对本发明的较佳实施例。
在用于在工件中制造型锻的方法中，在工件的表面上通过光束导向器来引导激光束以制造型锻。以如此方式控制激光束的焦点位置以使得可至少暂时地在型锻的深度方向上改变焦点位置。
在根据本发明的一种方法中，通过借助调焦装置(而不是机械导向器)来引导焦点位置，而在z方向上遵循个别的层是可能的。因此，在从一个层到下一层的过渡时，型锻深度方向上的激光束的焦点位置被引导到可变的值。
然而，也可当在一层内进行烧蚀期间实现对激光束焦点位置的可变调整以使得最终烧蚀的不是平面层而是以确定的或所要的方式烧蚀的非平面层。
可调整焦点位置以使得y方向上的焦点相对于瞬时烧蚀的层具有规定位置，例如，其以规定方式定位于层中或自其偏移。
一种用于制造型锻的装置包含激光源、调焦装置、光束导向器和用于所述组件的控制装置。所述控制装置经设计以将焦点位置至少暂时地控制到型锻的深度方向上的可变的值。


以下参看图式描述了若干实施例，其中图1示意性描述了用于制造型锻的装置的结构；图2描述了光线的路线，特别是在调焦装置中的光线路线；图3描述了一已知方法；图4描述了一图式以说明根据本发明的第一方法；图5描述了一图式以说明根据本发明的另一方法；图6描述了一图式以说明根据本发明的另一方法；图7描述了一图式以说明根据本发明的另一方法；图8描述了一图式以说明根据本发明的另一方法。
具体实施例方式
根据本发明的方法可通过适当设计图1中的控制装置7或适当控制图1和图2中的调焦装置3来分别实现。图4示意性展示待制造的型锻的“分层图”。40代表了希望是最终产品的型锻的外部表面。41指的是待烧蚀的多层中的一层，且另外的层42、43……接着位于其下。此意味最终通过分层烧蚀而在箭头44的方向上进行操作。在烧蚀一层后，可借助调焦装置3(由控制装置7来触发)来改变焦点位置而趋近下一层。此意味在烧蚀一层后，通过适当控制调焦装置3，在图4中焦点被整体地向下移动Δz的距离，且接着下一层将被烧蚀。如参看图3所描述的，在此烧蚀期间，可再次以已知方式在z方向上实现焦点位置补偿。只要调焦装置3的可用行程允许，可将焦点位置引导到个别层41、42、43……。如图3中所描述，可能需要行程的一特定部分以补偿焦点位置。行程的另外的可利用部分可用于控制个别层。当已达到最大可能的行程时，可在若干层后沿z轴进行机械引导(图1中之位置构件11)。接着，通过将焦点位置调整Δz可再次进行到若干层的若干引导。
因此，可整体地交替执行机械引导和借助焦点位置调整的一个或多个引导。如果调焦装置3的可利用行程允许，那么可(例如)通过相应地引导焦点位置而逐一趋近20个层。接下来，沿z方向执行21个层的厚度的机械引导，且可再次通过焦点位置调整而趋近复数个层，例如20个层。
由于焦点位置调整比沿z轴的机械引导快很多(必要控制步骤的启动和随后反复切换到烧蚀控制所耗的时间取代重定位时间而成为后者的重要值)，因此总体上有可能节省时间。
图5展示根据本发明的另一方法。烧蚀不再在平面层中执行而是在非平面层51、52、53……中执行。沿箭头54的方向逐层进行操作。如图所示，所述层可通过遵循有待最后制成的型锻的外部表面40来形成，或类似地(例如)通过具有层与层之间不同但是在一层内保持恒定(即，当趋近外部表面40时，一层比一层薄)的预定距离(通过“平行于外部表面”)来形成。可从控制装置7中的型锻数据12计算出此等个别层，且接着，一方面通过光束导向器4且另一方面通过连续聚焦控制器件3来插入所述层。光束导向器4实现在x和y方向上对激光束的控制，而调焦装置3控制在z方向上的焦点位置，以使得相对于刚被烧蚀的层，焦点具有一规定位置，例如，位于其内侧。
关于这一点，应注意，焦点位置在z方向上的变化(即，当激光束没有照射平行于z轴的型锻表面时)也可影响焦点的照射点的x和y坐标。分别通过控制装置和对控制数据的确定而适当顾及这一点。
如参看图3所描述，理论上，可将焦点位置调整器件想象为由两个叠加组件所组成，即，一方面是根据待烧蚀层的所要形状的控制装置，而另一方面是用于补偿球盖的控制装置。就数目来说，此等组件可单独地或可作为一单元而获得。
所述个别层彼此相比较来说可具有恒定的或不同的厚度。详细来说，靠近外部表面的层可比远离外部表面的层更薄。单个层也可具有恒定厚度，但并非必需。
图6展示一实施例，其中执行分层烧蚀使得最后再次制造“平行于外部表面”的(在外部表面40处)层65。通常这些层是沿箭头64的方向逐一烧蚀的层61、62、63，且其中每一层自身包含可变的层厚度，尤其表现为在型锻边缘66处的层厚度小于在型锻中心67处的层厚度。
图7展示一实施例，其中混合采用了不同烧蚀方法。当接近于获得具有待最后制成的型锻的外部表面40的型锻时，可烧蚀所述材料以制造具有平行于所述外部表面的层55的型锻，以便以这种方式获得光滑的外部表面40。此外部表面不会展示由图3中参考数字33所指示的分级。然而，在此之前，可选择一种较快、较粗糙的烧蚀方法，(例如)参看图4或图6所描述的方法。最后，图7展示了图4和图6的混合形式。首先，根据图4中的方法执行操作。在这里，可烧蚀较厚层(例如3-20μm)，其中在个别层中进行烧蚀，不深入到已完工型锻的各别、实际可接近的外部表面，而是在此之前停止(即在型锻的“较内侧”停止)。此由沿箭头44方向(操作方向)的个别层41、42、43代表。可在每一层的内侧及通常分别在距完工型锻的外部表面40一特定距离处中断此方法，且接着可过渡到如上所述的平行于外部表面的机器加工(其具有较薄层(1-3μm))。
以此方式，就将以粗糙层进行快速烧蚀的优点和在型锻制造的最后阶段通过平行于外部表面的层(其可至少在最外侧较薄)来精确制造外部表面的优点组合起来。可引入位于焦点控制器件的聚焦球盖上的层，而不是图4或图7的第一部分中的平面的、平行层。那么，连续的焦点控制和对应的计算和控制工作将不再需要。
图8展示一实施例，其中也根据焦点调整的可利用行程来确定待烧蚀的若干或所有层。这种情况可发生在焦点调整的可利用行程不足以在z方向上完全覆盖型锻的外部表面40的较深型锻中。则所述型锻将被逻辑划分成单个部分86、87，且相应地被划分成本身可被当作部分型锻且各自在聚焦控制装置的可利用行程内可被充分接近的制造部分84、85。可在对应区段86、87内分别重新开始参看图5到图7所描述的操作。图8展示一实施例，其中个别“部分型锻”86、87各自受到如图5中所述的机器加工。这些部分型锻经规定以使得可分别在调焦装置3的一行程内制造它们，其中有可能可选择地考虑球盖补偿所需的中心(hub)部分，尤其使得不可将其用于在深度方向上制造型锻。此方法的优势在于外部表面40上的不连续性仅在部分型锻的“接缝”88处发生，因为对于剩下的部分来说，可再次平行于外部表面而进行操作。也可根据图6或图7来机器加工部分型锻86和87，而不是对应于图5来机器加工这些部分型锻。
优选地，深度传感器8是一个感应位置的深度传感器。其可获得个别x-y位置的在z方向上的各别深度和尺寸。优选地，其实时执行，(例如)通过适当评估在激光束机器加工的各别瞬时点处的过程辐射(process radiation)来执行。因此，创建一指示型锻的取决于各别x和y坐标的各别深度的“映射图”。也可能通过参考此等测量数据来调整焦点控制。
通常，可通过大体上控制激光功率或激光参数(功率、追踪、引导速度……)来控制瞬时烧蚀的厚度。这种对烧蚀性能的控制可为位置可变的，尤其取决于瞬时x和y坐标。
权利要求
1.一种用于在工件中制造型锻的方法，其中通过光束导向器在所述工件的表面上引导激光束，以便制造所述型锻，其特征在于，以如此方式控制所述激光束的焦点位置以使得可至少暂时在所述型锻的深度方向上改变所述焦点位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过分层烧蚀来进行所述型锻的制造，且所述激光束的所述焦点位置经控制以使得所述焦点位置相对于瞬时烧蚀的层具有规定位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过控制所述激光束的所述焦点位置来完成从一个层到下一层的过渡。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在非平面层中进行所述烧蚀。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少部分在遵循或类似于完工的型锻的外部表面或平行于所述外部表面的层中进行所述烧蚀。
6.根据权利要求2至5中一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于，在一第一步骤中通过烧蚀未达到所述完工的型锻的所述外部表面的层，且在一第二步骤中通过烧蚀类似于或遵循所述完工的型锻的所述外部表面或平行于所述外部表面的层，来进行所述型锻的制造。
7.根据权利要求2至6中一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于，在具有一非恒定厚度的层中进行所述烧蚀。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，一层在其边缘处的厚度小于在中间处的厚度。
9.根据权利要求2至8中一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于，也根据焦点调整的可利用行程来获得所述个别层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，获得诸层以使得可在所述焦点调整的所述行程内控制所述层。
11.根据前述权利要求中一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于，根据所要的烧蚀性能而在所述型锻的深度方向上控制所述激光束的所述焦点位置。
12.根据权利要求2至11中一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于，至少部分地获得并烧蚀诸层，使得所述层位于球盖上，其中如果所述激光束由所述光束导向器引导，那么所述激光束的所述焦点在所述球盖上移动。
13.一种用于在工件(5)中制造型锻(6)、且尤其用于执行根据前述权利要求中一个或多个权利要求所述的方法的装置，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)；用于调整所述激光束的焦点位置的调焦装置(3)；用于在所述工件的所述表面上引导所述激光束(20)的光束导向器(4)；和用于控制所述调焦装置(3)和所述光束导向器(4)的控制装置(7)；其特征在于所述控制装置经设计以借助所述调焦装置(3)将所述激光束的所述焦点位置至少暂时控制到所述型锻的深度方向上的可变值。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，用于测量所述型锻(6)中的深度的传感器(8)，且所述控制装置经设计以根据所述传感器的输出来控制所述激光束的烧蚀性能。
全文摘要
本发明涉及一种用于在工件中制造型锻的方法，其中在工件的表面上通过光束导向器来引导激光束，以便制造所述型锻。以如此方式控制激光束的焦点位置以使得可至少暂时地在所述型锻的深度方向上改变该焦点位置。一种用于在工件(5)中制造型锻(6)的装置具有用于制造用于去除材料的激光束的激光源(1)、用于调整激光束的焦点位置的调焦装置(3)、用于在工件的表面上引导激光束(20)的光束导向器(4)和用于控制调焦装置(3)和光束导向器(4)的控制装置(7)。所述控制装置经设计以借助调焦装置(3)将激光束的焦点位置至少暂时地控制到所述型锻的深度方向上的可变值。
文档编号B23K26/08GK1795072SQ200480014341
公开日2006年6月28日 申请日期2004年5月27日 优先权日2003年5月28日
发明者彼得·希尔德布兰德, 马丁·里斯威士, 迈克尔·库尔, 哥特弗雷德·莱尼克 申请人:德国索尔公司