用于基于激光的处理的方法和装置与流程

大体地，本发明涉及材料的工业处理。特别地，但不排他地，本发明涉及激光切割尤其是纤维质(纤维)产品比如卡纸板。

背景技术：

目标(靶)元件的基于激光的处理比如切割、雕刻、穿孔和雕饰，相对于若干更加传统的机械替代方案(涉及车削、铣削和钻孔，例如分别通过车床、铣床或钻床)，在很多方面都是一种优越的解决方案。

可在处理金属、陶瓷、塑料、织物、皮革、纸、卡纸板、木材和甚至玻璃中使用激光。取决于使用的激光和目标材料，激光可被配置为使目标烧灼、熔化或气化。在排出熔融的切口材料和/或在提高的切割能量(热)方面改进切割效果中可利用辅助气体。

对于激光切割器或雕刻机可具有的最终应用，包装和一般地原型构建都是其可行的实例。对于激光处理比如切割，与许多经典的机械处理选项相比，常常关键的在设计概念和完成第一原型或生产物品之间的时间可被显著地降低。

现代的激光切割器能够提供相对干净的切边、多样的切割形状和灵活的最终设计、优异的切割准确性、窄切口、以及相对高的处理速度和产量，同时，例如，其作为非接触式工具仅遭受最小的磨损(基本上无磨损)，导致典型地相当可容忍的运行成本，并且省略工具自身以及目标材料的多种污染问题，所述污染问题对于受到来自所处理的材料的灰尘的负面影响的基于接触的机械切割方案是更通常的问题。灰尘也是对于传统的刀片或一般地机械类型的切割方法的关注问题。

尽管在激光处理且尤其是切割的领域中有近期优势，仍存在一些会从激光切割设备和相关的特征的进一步创新性发展而获益的议题。

特别是关于纤维质产品比如前述的纸、木材和卡纸板，已经注意到经处理的材料的切边通常呈现黑色、棕色或带褐色的颜色，即烧灼/热痕迹(标记)，其通过激光由例如临近材料的表面的燃烧空气或氮气而造成。而且，除烟之外，热碎片也产生这样的痕迹。所述痕迹是从剩余材料可视觉上容易地感觉到的。取决于所应用的视觉质量标准，这样的痕迹甚至可认为是在根本上损害产品的显著瑕疵。

为了避免前述瑕疵，尤其是与例如需要较低能量的雕刻活动相比更为能量密集且因此容易导致更严重的烧灼痕迹的激光切割相关的瑕疵，在一些情况中可化学地或机械地/物理地预处理或‘预保护’目标材料。例如，可向工件提供保护性背衬或遮蔽胶带以减少热应力-从下方的支撑结构或切割台向材料的背面引入反射。然而，额外的层或元件的相关的安装和去除是冗长的且需要额外的处理阶段。此外，取决于例如目标材料的水分含量，去除保护性元件可造成其自身的额外损害、比如材料的开裂。最终，烧灼痕迹甚至可变得比没有保护性特征更为令人烦恼。

另外，除了由激光切割和相关的边缘烧灼造成的视觉瑕疵之外，目标材料可得到额外的气味，这在例如食品和相关的包装的情形中可为特别有问题的。例如，被包装的食品可从激光切割包装获得气味。甚至口味上的缺陷、比如奇怪的味道是可能的。

技术实现要素：

本发明的目的是至少减轻至少一个或多个与激光切割、尤其是关于纤维质且典型地有机材料的激光切割的领域中现有方案相关的上述缺点。

用根据本发明的方法和相关的处理装置的实施方式实现该目的。

根据本发明的一个实施方式，用于非接触式处理、优选地切割纤维质材料的方法包括

提供纤维质材料的坯料，

提供激光处理设备，所述设备被配置为呈现基本上在落入约2至约10.3或10.4微米的范围内的波长、任选地在约9.3微米或10.3微米处的激光发射，和

使坯料经受激光处理设备的激光束以由其产生目标设计，包括按照根据目标设计所选择的图案将所述光束引导至坯料。

根据另一实施方式，用于非接触式处理、优选地切割纤维质坯料的装置包括

激光模块，其含有激光源，被配置为呈现在基本上落入约2至约10.4微米的范围内的波长处的激光发射，和

移动控制系统，其被配置为将由激光模块发射的激光束按照所选择的图案引导至坯料以由其产生目标设计。

如本领域技术人员所理解地，本文呈现的涉及方法的实施方式的不同考虑在加以必要的变更的情况下可灵活地应用于装置的实施方式，且反之亦然。取决于实施方式，装置自身可包括一个或多个至少功能上连接的(关联的)仪器。

本发明的效用源自取决于所讨论的具体实施方式的多个议题。首先，已经令人惊奇地发现所建议的波长特别适合许多纤维质的且任选地有机的材料(包括纸或纸板)的高精度的工业规模的处理比如切割、钻孔/穿孔、折皱和雕刻。已经发现吸收在该波长处的激光辐射在例如涉及至少在一定程度上去除目标材料的材料切割或一般地消融的方面是特别有效的。

相应地，切边的视觉缺陷比如变色如褐色可与所需的激光强度和功率一起被减少，同时处理速度比如切割、钻孔或雕刻速度可保持不变或甚至提高。所提供的切口可为窄的且呈现良好的视觉质量(平滑度、颜色等)。

位于激光处理的材料的件内的或邻近激光处理的材料的件的敏感产品比如食品得到奇怪的味道或气味的风险也可被减少。

还有，作为在机械处理纤维质材料中常见但不期望的副产物的粘的、难以去除的灰尘的形成，由于所建议的波长和功率适应(采用)而被减少。对于许多机械切割、钻孔或雕刻方案，由例如纤维质目标材料的多种矿物质产生的热灰尘容易地粘附至接近切割部位的区域，于是所述热灰尘的去除需要额外的处理阶段并且证实是令人惊讶地困难的。

从设计计划到已制好的原型或最终产品(例如待至少部分地被封入包装内的物品的消费者或其它类型的包装)之间的总时间可被缩短。

在技术上，基于激光的处理纤维质材料的所阐述的波长和相关的潜在进一步的优化(功率、控制速度等)可通过使用能够在所建议的波长处工作的固定或可调波长的激光器获得。例如，能够以良好的效率和足够的输出功率发射该波长的气体激光器、特别是co2激光器一般是适用的，但是其它激光技术也可用于该目的。

本发明的不同实施方式描述在详细的说明中并且公开在所附的从属权利要求中。

此外，本发明的不同实施方式的多种进一步的优点公开在下文的详细的说明中。

在本文中，表述“若干(一定数量的，anumberof)”可指从一(1)开始的任何正整数。

在本文中，表述“多个”可分别指从二(2)开始的任何正整数。

如果没有另外明确说明，序数比如“第一”和“第二”在本文中用于将一个元件与另外的元件区分，而不是特别地将它们区分优先次序或对它们排序。

附图说明

接下来，将参照幅图更详细地描述本发明，其中：

图1说明根据本发明的装置的一个实施方式。

图2是公开根据本发明的方法的实施方式的流程图。

图3是涉及根据本发明的方法和装置的实施方式的使用情形的略图。

具体实施方式

图1在100说明了本文所建议的装置的实施方式。

可体现为一个或多个至少功能上比如电地和/或光学地连接的组件或设备的激光处理装置102包括激光源比如co2或其他合适的气体、纤维、固态、化学等类型的激光器。本领域技术人员可基于例如发射波长、功耗、输出功率、尺寸、价格、可得性或具体到实施方式的其他特征而选择适用的激光器。

还可提及，在撰写时在许多实施方式中，对于功率、总体性能比如可控性和切割质量、以及例如紧凑尺寸，co2类型的气体激光器将提供即便不是最好的也是良好的方案。激光器可以是连续波或者脉冲类型的。例如，激光器可以是密封型的。可使用例如空气或液体(例如水)冷却激光器。

所选择的激光器的输出功率优选为至少约100瓦特。其可为几千瓦特或甚至更高，取决于实施方式。在处理速度不是问题且待处理的材料没有处理上的问题(例如薄的且有效地吸收发射波长)的情况中，还可以考虑功率较低的激光器。激光处理比如切割或雕刻的速度可取决于目标材料、其尺寸和其他参数比如各实施方式的质量目标而变化。例如，其因此可以是每分钟几厘米或甚至每分钟几米。

强度(每单位面积的光功率(光强度))或相关的光束宽度可取决于实施方式而变化。焦点处的光束直径可以是约一或几百微米、或更大。

优选地，发射的波长落入在一或几微米和约10.4微米之间、优选在约两微米和约10.3微米之间、更优选在约9至约10.3微米之间、且最优选在约9.2和9.6微米之间的范围内，即为例如约9.3微米。在一些应用中，已经发现约10.3微米波长(例如10.25微米)是特别有利的。

已经发现这样的波长在执行的激光处理比如切割的效率的方面是令人惊奇地有前景的，自然取决于所使用的纤维质目标材料。激光的波长可以是固定的或在一些任选的替代实施方式中是可(再)调的，任选地通过其操作员经由适用的ui(用户接口(界面))进行。

优选地，根据目标材料的吸收特性和化学组成选择波长，使得处理效率在相关的(最小化的)能耗、处理速度(足够的或最大化的)和质量(例如能够接受的切边外观以及例如平滑度)方面得到优化。

任选地，可在激光器102的光路上提供若干元件比如调节光束直径的光束扩展器、引导镜和/或透镜104比如准直/聚焦透镜，以处理或引导由激光器102发射的光束103朝向坯料，即待通过激光处理的、任选地切割或例如雕刻的目标材料的(工)件108。因此，条目104一般地包括例如光束成形和/或导向。

对于切割，其在本文中典型地是指沿着所选择的路径自材料的顶面至底面完全地去除和分离材料。路径可以是直线切割或通过材料的最短路径切割或例如斜向切割。

例如，当必要时，通过元件104的配置对于光束可获得在材料108表面处的所选择的目标入射角。在一些实施方式中，可需要直角以获得例如通过材料的直线、最短路径切割。在一些实施方式中，元件104的至少一部分可任选地位于激光设备102内，例如在共同的壳内。

(工)件108可以是指膜、片材、板材、多层元件等。其可以是基本上平面的或呈现清楚的3d形状(例如具有变化的厚度或高度，即‘z’分量)。例如，件108可限定若干弯曲的、有角的或蜂窝状的形状。

在一些实施方式中，件108可指逐步或一下子被激光处理的卷或例如细长的较大的件。例如，在激光处理之前、期间或之后，其可被切割成较小的件。

件108可包括例如纸或卡纸板。材料的厚度在实施方式之间可以变化。例如，典型的纸厚度可以是约几十微米或更大，例如约0.1毫米，而卡纸板比如瓦楞纸板可容易地为至少几毫米或甚至几十毫米厚。

经处理的件108可被作成(cultivated)最终目标设计比如产品包装、容器、信息卡(例如id卡或名片或甚至明信片)、标签、海报等。

在一些实施方式中，经激光处理的件108可用于通过3d打印建立目标设计。例如，可将多个激光切割的件108堆叠在一起以建立三维目标物体。任选地，装置100包括(引入)3d打印设备。

在一些实施方式中，经激光处理的件108可作为电子器件的基质(hostelectronics，容纳电子器件)，比如电子跟踪(traces)和/或元件，其可使用增材印刷(添加剂印刷，additiveprinting)技术比如丝网印刷或喷墨而印刷，和/或可使用例如焊接和/或导电粘合剂而安装。相关元件可提供在激光处理之前、激光处理时或激光处理之后。

条目106是指可包括若干组件和/或设备的移动控制系统。借助于移动控制系统106，激光束103可被引导至件108的期望的位置和/或沿着期望的、典型地预排程序的路线被引导至目标件108的目标材料上。这涉及激光束103和件108的相对移动。因此，期望的处理图案比如钻孔和/或切割图案被建立，并且在激光和任选的进一步处理之后最终获得为经处理的件设立(set)的目标设计。移动控制系统106光学地和/或机械地连接至激光器102/激光束103和/或连接至元件104，取决于实施方式，如基于以下潜在实施方式的更详细的解释对于本领域技术人员是清楚的。

在一些实施方式中，可包括扫描方案或‘扫描仪’比如检流计式(振镜)扫描仪以动态地将激光束103在静态的件108上引导。

为了操控光束103，扫描仪可因此包括若干典型地多个可转动的马达驱动的镜。这样的方案提供快速的处理速度，但工作面积可小于一些竞争方案中的工作面积。此外，对于光束质量的基本要求(聚焦以及准直/直径)可为更高的。在切割的情况中，该扫描仪类型的移动控制可被称作“远程切割”。

与条目106或104(后者选择当106在光路上不含有额外的元件比如扫描镜时是特别适用的)关联地(相连地)，可包括若干另外的光学元件比如聚焦或扫描透镜，可能地包括例如焦阑透镜比如所谓的f-theta透镜以提供例如来自条目106的聚焦的光束，其基本上垂直于目标表面。目的在于提供在扫描场上在图像平面上的平场(flatfield)。

在一些实施方式中，可通过移动控制系统106使用和实施例如龙门架(托台)型平台(平板，flatbed)方案。这通常是所谓的飞行光学类型方案的问题，其中工件108可保持为静态的，而激光束103最终自其离开朝向工件108的切割/处理头在其上在水平维度上移动，当在使用时，典型地由多个(伺服)马达所协助。

在一些实施方式中，选择混合方案，其中工件108/载体(支撑物)110和切割/处理头以及因此所发射的激光束两者被配置成移动，一个沿着某一轴(x)且另一个沿着垂直轴(y)，所述轴两者优选基本上平行于材料表面或下面的载体110。

在一些实施方式中，可采用移动(x-y)台或固定光学类型方案，其中仅材料108/载体110移动，而激光束103保持为静态的。例如，载体110可以是机动化的。

在一些实施方式中，载体110可包括金属比如铝或钢。其可为工件108限定基本上连续的平的接触区域。然而，其还可限定例如具有凹槽和/或通孔的或多或少(大约)蜂窝或片层(例如板条)结构以实施更通用的激光/切割床。

优选地，事实上对载体110的材料和总体配置(例如几何形状和结构，包括凹槽)进行选择以增强入射激光能量的能量吸收和/或扩散。这用于减少烧灼痕迹，尤其是在与载体110接触的工件108的背面，因为较少量的能量由此被背向散射，潜在地还有对件108的更宽的空间分布，以避免此处的局部损害。然而，对于柔性材料比如纸，载体110应含有足够的载体或接触表面以使得材料在激光处理期间保持为基本上平的，有利于处理精度。因此，所应用的蜂窝、片层或类似的结构不应是过度稀少的。

然而，装置可包括多种其他元件比如预处理、后处理、修整(finishing)、进料、载体、保护、检验(例如相机或机器视觉系统、或其他感测设备)和/或传送机构112，包括例如机动化的卷或辊、传送带、机器臂/机器人、水平面(level)、坡等。在一些实施方式中，可实施卷对卷类型的处理模型，而在一些其他实施方式中，材料供给可基于卷的，但在处理期间将卷以分开的产品件切割，任选地通过激光。

在一些实施方式中，激光处理可通过切割由原始的工件分离若干较小的件。主材料/主件的这样的切割掉的部分可以是剩余物，而其余的主件建立所选择的目标设计。作为替代，较小的件可单独地或另外地由其建立目标设计以进一步利用比如折叠产品包装，取决于实施方式。

与激光器102、成形/导向104和/移动控制系统106关联地(相连地)，或更远地，可提供其他设备114比如具有必要的罐、压缩机和/或喷嘴的辅助气体供应子系统。所述气体可包括(引入)排空气体以去除碎片和/或反应性气体以改进切割特性或切割的质量、例如减少的烧灼痕迹和切口宽度。气体和相关的功能两者可涉及使用例如压缩空气或氮气。

替代或另外地，折皱(creasing)设备可被配置，包括例如辊(卷)，且任选地与激光的切割/处理头关联地(相连地)提供。

在一些实施方式中，可使用激光器102或第二激光器以在件108上建立期望的折皱或折皱图案。该图案可一般遵循例如待从经激光处理的件108折叠的包装或其他结构的预期边缘，由此充当用于这样的程序的预制件。

还在一些实施方式中，提供层压(热，压力)、模塑、印刷或安装设备。例如，可向工件108提供额外的功能性和/或美学(例如图形、彩色等)层。如前所述，可提供电子器件以建立智能设备比如传感器、通讯或指示设备、存储设备、处理设备，或这些的期望的组合。

条目120是指控制系统，其至少功能上比如电地连接至剩余的实体比如激光器102、成形/导向条目104、移动控制器106、补充设备114、和/或元件112的一个或多个。优选地，至少移动控制系统106和/或激光器102自身自动地根据操作员/用户配置程序被系统120控制。

系统120可包括至少一个处理单元122比如微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)等以执行例如(c)nc代码比如g-代码或其他数字控制代码形式的指令，或一般地存储在存储器126中的计算机程序128，其可指任选地与处理单元122集成的一个或多个存储芯片。可提供数据接口比如串行或并行接口124以与装置100的其他元件通讯，其应自然地包含兼容的数据接口，以及任选地外部控制或监控系统。接口124可以是有线的或无线的接口且遵循例如所选择的lan(局域网)或蜂窝标准。

然而，接口124或一般地设备120可实施用户接口以获得用户输入并且提供用户输出。可布置触摸屏、触摸板、小键盘、键盘、鼠标、显示器、扬声器或蜂鸣器、触觉反馈设备比如震动马达、若干指示灯、按钮、开关、语音输入接口等。

图2包括公开根据本发明的方法的实施方式的流程图200。

在用激光处理纤维质材料的件或坯料的方法的开始时，可执行启动阶段204。在启动204期间，可进行多种准备性任务比如材料、组件和设备选择、采集、校准和配置。必须特别小心，单独的设备、系统和材料选择最终一起工作，这自然优选地如下进行检查：基于制造工艺规格(说明书)和组件数据表提前地(up-front)，或例如通过研究和测试所生产的原型。所使用的设备比如其中的激光设备可由此在此阶段提升至运行状态。

在206，获得目标材料的件或坯料。例如，可获取制好的优选纤维质材料的元件，例如卷或片材。在一些实施方式中，待激光处理的工件可先通过合适的方法内部地(in-house)生产，其可涉及研磨、模塑、挤出和/或其他方法。在一些实施方式中，可利用3d打印生产坯料的至少一部分。

任选地，在208，材料被(预)处理，其可包括例如折皱、涂覆、染色和/或层压。可建立在材料和/或配置的方面彼此相似的或不同的堆叠的层的多层结构体(例如瓦楞纸板)用于激光处理。

在210，发生激光处理，这可以是指例如切割、穿孔和/或雕刻。处理可涉及几项活动，比如实际上用激光照射工件的表面210a(即，朝向表面提供激光束使得发生与其的期望的基于激光的相互作用比如烧灼、熔化或气化)和使工件相对于激光束移动210b，这在实践中可包括移动光束、工件/载体或两者以建立期望的目标设计。可顺序或同时执行所述活动。

在212，经处理的工件可被后处理。潜在的后处理任务包括层压、涂覆、折皱、着色、包装(装填，packing)、保护、标记、装饰(例如印刷或层压的图形)、模塑、供应额外的元件比如电子器件等。所述任务的至少一些可替代地或额外地在激光处理活动210期间或在激光处理活动210之间执行。例如，折皱可与激光处理相关地发生，无论其是通过相同的或额外的激光实现还是经由完全不同的类型的元件比如辊实现。

仍然在212，工件还可被成形以建立期望的结构，即目标设计。例如，在用于目标物品的包装盒坯料的情况中，可通过将经激光处理的坯料折叠成使用位置而由其形成所述盒。然后可将物品插入到所述盒中。代替盒，经处理的坯料可被配置为建立例如托盘、杯子、其他类型的容器、标签、标志、传单、身份或一般信息卡、门禁卡(赊购卡，accesscard)等。

如本文之前所提及地，经处理的工件可用于3d打印中(增材制造)以建立较大的三维目标物体的一部分比如层。基本上，可将多个经激光处理的(例如切割的)工件堆叠在一起以构建该物体。

在214，结束所述方法的执行。如本领域技术人员容易理解地，虚线回环箭头表明多种方法项目的潜在重复性质。

图3在300说明本发明的一种可能的使用场景的轴测略图，其包括用于激光处理比如切割、穿孔、折皱和/或雕刻的龙门架型平台激光设备306的实施方式。待加工的目标材料的件108已位于载体110上，其可包括例如吸收性和/或扩散性的台。设备306含有激光头部分308，激光束自其存在直接朝向工件108。激光输出可在工件上建立不同的圆形314、有角312或直线310形状和图案，例如以整体雕刻比如沟槽或切割掉的部分的形式。

本发明的范围由所附权利要求及其等同物确定。本领域技术人员将理解以下事实：所公开的实施方式仅出于说明性目的而构造，并且可容易地准备应用许多以上原理的其他装置以最佳地适合各潜在的使用场景。