切替え可能なレーザシステムを有するレーザ加工装置及びレーザ加工方法
【課題】品質の向上したレーザ加工装置及び工作物を機械加工する方法の提供。
【解決手段】切れ刃（６２）及び逃げ面（６４）を有する回転バイトが工作物（１１）から製造される。レーザ加工装置（１０）は２つの異なる操作モードで機能する。第１の操作モードで、第１のレーザヘッド（１４）は、第１のレーザヘッド（１４）に対して工作物（１１）の速い前進速度にて工作物（１１）を機械加工するのに使用される。その際、工作物（１１）は所望の大まかな輪郭を示すようにレーザ溶融切削により切削される。第１の操作モードでは、レーザパルスの持続時間はナノ秒範囲である。その後、レーザ加工装置（１０）は第２の操作モードで操作される。その際、レーザパルスはピコ秒範囲のパルス持続時間で生成され、上記のレーザパルスは第１の操作モードのレーザパルスより小さい平均電力を示す。
【解決手段】切れ刃（６２）及び逃げ面（６４）を有する回転バイトが工作物（１１）から製造される。レーザ加工装置（１０）は２つの異なる操作モードで機能する。第１の操作モードで、第１のレーザヘッド（１４）は、第１のレーザヘッド（１４）に対して工作物（１１）の速い前進速度にて工作物（１１）を機械加工するのに使用される。その際、工作物（１１）は所望の大まかな輪郭を示すようにレーザ溶融切削により切削される。第１の操作モードでは、レーザパルスの持続時間はナノ秒範囲である。その後、レーザ加工装置（１０）は第２の操作モードで操作される。その際、レーザパルスはピコ秒範囲のパルス持続時間で生成され、上記のレーザパルスは第１の操作モードのレーザパルスより小さい平均電力を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザで工作物を機械加工するレーザ加工装置ならびにレーザ加工法に関する。工作物は、例えば、抜型、または、切れ刃、面、および逃げ面を有する回転バイトが製造される半製品である。
【背景技術】
【０００２】
レーザにより工作物を機械加工する種々の装置及び方法それ自体は、周知である。例えば、独国特許出願公開第１００２０５５９号明細書では、超短レーザパルスを使用することにより材料を機械加工する装置が説明されている。この場合、レーザパルスは、３００ピコ秒未満のパルス持続時間を有する。更にまた、当該装置は、材料又は工作物に第１のレーザパルスを照射し、その後この照射の結果を検出し、かつ、そこから工作物に関する情報を取得するように配置される試験装置を備える。
【０００３】
米国再発行特許第３９００１号明細書では、セラミックウェーハを切削する方法が説明されている。レーザは、ウェーハにＶ字形溝を形成する。これを達成するために、互いに対して側方に偏位するいくつかの線形処理パスは、Ｖ字形を取得するために実行される。その後、ウェーハは、１つの平面上での１つ以上の工程パスによりＶ字形溝の中央部の所望の地点にて完全に分割される。
【０００４】
更にまた、国際公開第９９／０３６３５号パンフレットでは、エンボス加工ダイ製造のための方法及び装置が開示されている。この場合、レーザビームは、刃物または溝ナイフに対応するために特に木から成る工作物内に溝を切削するために光学集光システムに案内される。または、レーザビームは、光学集光システムの前に配置される折り畳み可能な鏡を介してスキャナに偏向されて導かれる。工作物は、スキャナを介して型彫することができる。型彫の場合、レーザ電力を低減することができる。型彫は、ナイフを伴う工作物のその後の装着を簡素化するために溝が設けられた工作物上で書き込むことを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１００２０５５９号明細書
【特許文献２】国際公開第９９／０３６３５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、工作物、および、特に歯板または回転バイトの非常に経済的な製造であり、同時に、仕上げ縁および表面、特に製造されたバイトの切れ刃の品質を確保することにある。特に、本発明の装置及び方法は、工作物からの切削面および逃げ面を有するバイトの製造に適したものとすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１の種々の特長を示すレーザ加工装置により、ならびに、請求項１０の種々の特長を示すレーザ機械加工法により達成される。
【０００８】
本発明によるレーザ加工装置は、工作物を保持する保持手段を備える。更にまた、装置は、特に、切削ヘッドとして構成される第１のレーザヘッドと、好ましくは、スキャナヘッドとして実行される第２のレーザヘッドを有するレーザ構成を備える。レーザ構成は、レーザパルスを生成するレーザ光源も備える。レーザ構成は、第１の操作モードと第２の操作モードとの間で切り替えることができる。第１の操作モードでは第１のレーザヘッドが使用され、第２の操作モードでは第２のレーザヘッドが、レーザパルスを反射して工作物の上へ集光するのに使用される。いくつかの切込み軸は、２つのレーザヘッドに対して保持手段または工作物を移動または位置決めのうちの少なくとも１つを実施するように配置される。このようにすると、工作物の輪郭の空間的な、いわば３次元機械加工が、切れ刃および隣接逃げ面を生成するために可能である。切込み軸は、回転案内または線形案内の少なくとも１つを含んでもよい。５つ又は６つの切込み軸が設けられることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、第１の操作モードでは、工具はレーザパルスの熱作用により機械加工される。工作物はレーザ溶融切削により機械加工されることが好ましい。第１の操作モードでは、レーザパルスは第２の操作モードより平均電力が大きい。第１の操作モードの平均電力は、例えば、５０ワットから４００ワットの間であってもよく、一方、第２の操作モードの電力は、１０ワットから１００ワットの間であってもよい。第１の操作モードではレーザパルスはナノ秒の範囲のパルス持続時間で生成され、一方、第２の操作モードのレーザパルスはピコ秒の範囲のパルス持続時間を有することが好ましい。したがって、いわば工作物は、第１の操作モードで非常に速い切削速度にて荒削りすることができる。たとえば、第１の操作モードで、２０〜３０メートル／分の前進速度にて１〜２ミリメートルの厚さを有する多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）の縁部を切削するためにレーザ溶融切削を用いることが可能である。
【００１０】
実際、速い機械加工速度は、第１の操作モードで達成されるが、工作物上のレーザの熱作用のために、熱の影響を受けた領域が工作物上に生成され、この領域はたとえば生成すべきバイトの特性に悪影響を与える。したがって、第２の操作モードでは、レーザ構成はレーザアブレーション（レーザ爆蝕、レーザ焼灼術）により工作物を機械加工する。材料は超短レーザパルスによりプラズマ雲に変換され、その場合、レーザパルスの作用の持続時間は非常に極小なので、熱の影響を受けた領域は形成されない。この場合、工作物に対するレーザパルスの作用の持続時間は、これには適したものではない。この第２の操作モード中に、少なくとも１つの部分、および特に第１の操作モードで形成された熱の影響を受けた領域全体が再び除去されることが好ましい。熱の影響を受けた領域は、たとえば、バイトの切れ刃の領域においてなど、少なくとも高品質が必要とされる工作物の領域において除去される。両方の操作モードにおいて、工作物は所望の３次元形態を生成するために外側輪郭の同じ地点にて機械加工される。２段階の方法により、保持手段に取り付けられた工作物は非常に経済的に機械加工することができる。このようにすると、したがって特に効率的にバイトを製造することが可能である。更に、高品質の工作物機械加工が確保される。
【００１１】
レーザ構成は、たとえば、ソリッドステートレーザおよび特にディスクレーザの形で切替え可能なレーザ光源を備えることが好ましい。ロッド、および特にディスクの形状を有するレーザのレーザ結晶は、それぞれ使用される光ポンプの光を増強する両方の操作モードで使用することができる。第１の操作モードで、光ポンプは、レーザパルスの所望のパルス持続時間に対応するナノ秒の範囲の光パルスを生成する。同様に、光ポンプは、第２の操作モードでピコ秒の範囲の光パルスを生成する。各操作モードに対して別個の光ポンプを設置することも可能である。１つ以上のレーザダイオードをたとえば光ポンプとして使用してもよい。レーザ光源は、１つ以上の共振鏡をそれぞれ有する２つの共振器構成を備えてもよく、その場合、操作モードによっては第１の又は第２の共振器構成が使用される。このようなレーザ光源は、独立型でかつ本発明の残りの特長から独立して実行して、かつ、他の用途に使用してもよい。
【００１２】
第１のレーザヘッドにより出射されたレーザパルスを集光することができる第１の焦点領域が、第２のレーザヘッドにより出射されたレーザパルスを集光することができる第２の焦点領域との空間交差部を有しない場合は有利である。特に、第１のレーザヘッドの第１の焦点領域は、第１のレーザヘッドから第１の加工間隙にて光軸に沿って配設される。第２の焦点領域は、第２のレーザヘッドから第２の加工間隙に配置される。好適な実施形態においては、第２の加工間隙は、第１の加工間隙より大きい。これには、工作物が第２の操作モードで機械加工される間、第２のレーザヘッドに対する工作物の空間的な移動または位置決めが第１のレーザヘッドによる障害なく可能であるという利点がある。概して、第２の操作モードでの工作物の仕上げパスには、荒削り中の第１の操作モードの場合よりも、切込み軸を用いた第２のレーザヘッドに対するより複雑な工作物の位置合せおよび移動が必要である。第１の加工間隙を上回る第２の加工間隙が選択された場合、十分に大きい自由領域がバイト移動に利用可能である。
【００１３】
レーザ加工装置の例示的な実施形態においては、２つのレーザヘッドは互いに対して動かないように配設され、それによって、光軸は互いと平行に配設されることが好ましい。
【００１４】
レーザ加工装置は、可動及びたとえば線形に調整可能な偏光手段、たとえば偏光鏡も備えることが好ましい。偏光手段は、レーザパルスの光路に出し入れすることができる。偏光手段の位置によっては、レーザパルスは第１のレーザヘッドまたは第２のレーザヘッドに案内される。したがって、２つのレーザヘッドの１つだけが操作されることが非常に単純な方法で確保される。
【００１５】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項から、並びに本説明によって明らかとなる。本明細書においては、例示的な実施形態を参照して本発明を説明する。その際には、本明細書は、本発明の本質的な特長に制限される。図面は、補足的参照として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】レーザ加工装置の例示的な実施形態のブロック回路図である。
【図２】図１のレーザ加工装置の概略側面図である。
【図３】レーザ加工装置用レーザ光源の、ブロック回路図と類似の概略図である。
【図４】第１の操作モードでの工作物の機械加工の概略図である。
【図５】第２の操作モードでの工作物の機械加工の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および図２は、レーザパルスで工作物１１を機械加工するレーザ加工装置１０の例示的な実施形態を示す。レーザ加工装置１０は、工作物１１を保持または取り付ける保持手段１２を備える。例示的な実施形態により、５つの切込み軸１３を介して、レーザ構成１６の第１のレーザヘッド１４および第２のレーザヘッド１５に対して保持手段１２または工作物１１を移動または位置決めの少なくとも１つを実施することが可能である。切込み軸１３の数は、工作物１１の所望の機械加工の関数として変わってもよい。最大６つまでの切込み軸１３を設けてもよい。
【００１８】
例示的な実施形態においては、切込み軸１３は、線形ガイドとして実施されるものもあれば、円形ガイドとして実施されるものもある。第１の線形ガイド１３ｘは、ｘ方向において線形に移動させることができる切削台１７を備え、上記の切削台は（例示的な実施形態においては）案内されるように、第１のレール１８で頂部から支持され、上記のレール及びそれに平行した第２のレール１９で支持される。
【００１９】
第１の円形ガイド１３ｂは切削台１７上に配設され、Ｌ字形保持部分２０の第１の周縁は第１の回転軸Ｂ周りに回転可能であるように第１の円形ガイド上で支持されている。保持部分２０の他の周縁は、回転軸Ｂとほぼ平行に延在するし、そこから少し離れたところに延在する。第２の円形ガイド１３ｃが保持部分２０のこの周縁上に配設され、周縁上で、保持手段１２は第２の回転軸Ｃ周りに回転可能であるように支持されている。第２の回転軸Ｃは、回転軸Ｂに対して直角に、すなわち例示的な実施形態においては垂直面上に延在する。
【００２０】
２つのレール１８、１９は機械フレーム２４に取り付けられる。例示的な実施形態においては、棒２５は、切削台１７より上方に機械フレーム２４上に配設され、上記の棒は、ｙ方向でレーザヘッド１４、１５を移動させる第２の線形ガイド１３ｙを形成する。第３の線形ガイド１３ｚによりＺ方向に移動させることができる切削台２６が、棒２５上に配設され、上記の切削台は２つのレーザヘッド１４、１５を支える。２つのレーザヘッド１４、１５は、したがって、互いに対して直角にてある空間方向に、第２の線形ガイド１３ｙおよび第３の線形ガイド１３ｚを介して線形方向にずらすことができる。
【００２１】
切込み軸１３は、レーザ加工装置１０の制御装置３０により起動される。工作物が機械加工される間、工作物１１は、レーザパルスが所定の角度にておよび工作物１１上の所定の場所にて当たるように、第１のレーザヘッド１４または第２のレーザヘッド１５に対して位置決めおよび位置合わせされる。
【００２２】
レーザ構成１６は、第１の操作モードＩで、ナノ秒の範囲のパルス持続時間でレーザパルスを生成し、レーザ構成１６の第２の操作モードＩＩでピコ秒の範囲のパルス持続時間を有するレーザパルスを生成するレーザ光源３１を備える。レーザパルスの平均電力は、第２の操作モードＩＩより第１の操作モードＩのほうが大きい。レーザパルスを生成するために好適な例示的な実施形態の切替え可能なレーザ光源３１は、図３に概略的に示されているようなディスクレーザ３２を備える。ディスクレーザ３２は、たとえば数百マイクロメートルの厚さを有してもよいディスク３３の形でレーザの結晶を備える。冷却については、ディスク３３が放熱板３４上に平らに配設されている。ディスクレーザ３２の光軸ＯＬはディスク３３に直角に延在する。上記のディスクは放熱板３４に対向するその裏側の上でミラーコーティングが施され、同時に共振器鏡の役目を果たす。ディスク３３から少し離れて、ディスク３３により出射されたレーザ光を束ねるレーザ出力カプラ３５が光軸ＯＬ上に設置されている。ディスク３３として構成されたレーザの結晶は、光ポンプ３６、３７の光ＰＬによって励起される。その際に、光ポンプ３６、３７の光はディスク３３を数回通過する。これを確保するために、更なるレンズまたは共振鏡の少なくとも１つを設置してもよく、これらは、明瞭さを期すために図３には図示されていない。しかしながら、レンズまたは共振鏡の少なくとも１つを有する２つの共振器構成を設置することが可能であり、その場合、一方の共振器構成は第１の操作モードＩで使用され、他方の共振器構成は第２の操作モードＩＩで使用される。両方の共振器構成は、上記のディスクの裏側でディスク３３および共振鏡を使用する。
【００２３】
少なくとも１つの光ポンプ３６、３７は光パルスを生成する。第１の操作モードＩで、光パルスはナノ秒の範囲の持続時間を有し、一方、第２の操作モードＩＩの光パルスはピコ秒の範囲の持続時間を有する。たとえば、レーザダイオードは光ポンプ３６、３７として使用してもよい。第１の操作モードＩには第１の光ポンプ３６を、および第２の操作モードＩＩには第２の光ポンプ３７を設置することも可能である。両方の操作モードＩ、ＩＩにおいて、同じレーザの結晶がポンプ光ＰＬの増幅器として使用される。例示的な実施形態においては、これはディスク３３である。
【００２４】
レーザ光源制御３９は、第１の操作モードＩから第２の操作モードＩＩに、および、第２の操作モードＩＩから第１の操作モードＩにレーザ光源３１を切り替えるのに設置され、上記のレーザ光源制御は制御装置３０により起動される。レーザ光源制御３９は、レーザパルスのパルス持続時間の設定値およびレーザパルスの平均電力の設定値を設定する。
【００２５】
両方の操作モードＩ、ＩＩにおいて、レーザパルスは、レーザ光源出口４０に切替え可能なレーザ光源３２により出力されて光路４１に沿って２つのレーザヘッド１４、１５に案内される。これを達成するために、いくつかの鏡４２または他の偏光装置を光路４１内に配設してもよい。
【００２６】
例示的な実施形態においては、第１のレーザヘッド１４は切削ヘッドとして構成されている。切削ヘッドは切削ノズル４５を備え、該切削ノズル４５を介して、ガス供給部４６からのガスが、第１のレーザヘッド１４の第１の焦点領域Ｆ１近傍で、第１の操作モードで機械加工すべき工作物１１上へ供給管路４７を介して分配される。ガスの量を制御する弁４８が供給管路内に配設され、当該弁４８は切削ヘッド制御装置４９を介して作動される。
【００２７】
第１の焦点領域Ｆ１は、第１のレーザヘッド１４の光軸Ｏ１上の地点または距離を表す。第１のレーザヘッド１４のレーザパルスの焦点は、第１のレーザヘッド１４から不変の距離にあってもよい。あるいは、レーザパルスの焦点は、所定の限界内で光軸Ｏ１の第１の焦点領域Ｆ１の内側の第１のレーザヘッド１４のレンズシステムを介して調節することもできる。
【００２８】
切削ヘッド制御装置４９も、図１に破線で示されている第１の位置と第２の位置との間に移動可能で、かつ、この例では転移可能な偏光鏡５０を移動させるように機能する。第２の位置においては、偏光鏡５０は光路４１内に配置されてレーザ光源４１により出射されたレーザパルスを第１のレーザヘッド１４に偏向させる。偏光鏡５０が光路４１の外側に配置される場合、レーザパルスは、光路４１に沿って第２のレーザヘッド１５に偏向する。切削ヘッド制御装置４９は、制御装置３０により起動される。
【００２９】
更に、制御装置３０は、第２のレーザヘッド１５を制御するスキャナ制御５５を起動させ、上記のレーザヘッドには、光学スキャナシステム５６が装備されている。光学スキャナシステムは、たとえば、２つ又は３つの枢動可能な鏡を備え、光学集光システム５７を介して第２のレーザヘッド１５により出射されたレーザパルスが１つの区域において工作物１１の表面に導くことができるようになっている。したがって、スキャナヘッドとして構成されている第２のレーザヘッド１５は、第２の焦点領域Ｆ２において工作物面上へレーザパルスを導く。第２の焦点領域Ｆ２は、直角にて配向するかまたは第２のレーザヘッド１５の光軸に対して傾斜させてもよい工作物１１上の区域である。
【００３０】
第１の焦点領域Ｆ１は、第１のレーザヘッド１４から、および、この例では、切削ノズル４５の自由端から第１の加工間隙Ａ１にある。工作物面上の第２の焦点領域Ｆ２内での集光レーザパルスの衝突点は、第２のレーザヘッド１５からまたは光学集光システム５７から第２の加工間隙Ａ２にある。第２の加工間隙Ａ２は、第１の加工間隙Ａ１より最小値Ｍ分大きい。第１の加工間隙Ａ１は、１ミリメートルの数十分の一から最高でおよそ２または３ミリメートルである。第２の加工間隙Ａ２は、５センチメートルより大きく２０センチメートルまでであることが好ましい。
【００３１】
動作モードおよび好適なレーザ機械加工法を図４および図５を参照して以下で説明する。
【００３２】
初めに、工作物１１を保持手段１２によって取り付ける。工作物１１は、歯板および回転バイトが製造される半製部品である。工作物１１は、切削層６１が施された硬質金属の本体６０を備える。例示的な実施形態においては、切削層６１は、多結晶質ダイヤモンドから成る。完全に機械加工された工作物１１においては、切れ刃６２は、この切削層６１上に施されている。
【００３３】
生成すべき自由角度に対応して、第１のレーザヘッド１４の光軸Ｏ１に対して傾斜するように工作物１１を位置合わせする。ナノ秒の範囲のレーザパルスを生成するように切替え可能なレーザ光源３１を調節する。その際に、レーザパルスの平均電力は、４０ワットから４００ワットの間である。レーザ光源３１により生成されたレーザパルスが第１のレーザヘッド１４に偏向されるように偏光鏡５０を光路４１内に移動する。レーザ加工装置１０は、図４に概略的に示すように第１の操作モードＩで作動する。その際に、工作物１１は、レーザビームパルスの熱作用のためにレーザ溶融切削により機械加工される。工作物１１が切削される間、工作物を第１の操作モードＩで２０〜３０メートル／分の高速にて前進させることができる。このようにすると、工作物の大まかな輪郭を生成することができる。速い前進速度のために、機械加工は第１の操作モードＩでは超高速である。第１の操作モードＩで、いわば荒加工作業が実行される。
【００３４】
しかしながら、その際に、図４において平行線模様の区域により概略的に示されているように、熱の影響を受けた領域Ｗが切削面の近傍に形成される。レーザ溶融切削により生成された切削面６６は、したがって第１の操作モードＩでは最終所望の輪郭６３に対して少し距離を有して配置され、この距離は、切削面６６から工作物１１に延在する熱の影響を受けた領域Ｗの深さより大きい。所望の輪郭６３を表す図４内の自由域は、破線で示されている。
【００３５】
その後、レーザ加工装置１０のレーザ構成１６は、第２の操作モードＩＩに切り替える。この第２の操作モードＩＩでは、第２のレーザヘッド１５を使用する。その結果として、偏光鏡５０は光路４１から移動してはずれる。切替え可能なレーザ光源３１を逆転させると、切替え可能なレーザ光源３１は第１の操作モードＩより短いパルス持続時間でレーザパルスを送出し、このパルス持続時間は、たとえばピコ秒の範囲である。これらのレーザパルスは、偏光鏡４２によりレーザ源出力４０により光路４１内に供給されて第２のレーザヘッド１５に偏向される。そこで、レーザパルスは、図５により示されているように、光学スキャナシステム５６および光学集光システム５７を介して工作物面の上へ導かれる。レーザパルスの平均電力は第１の操作モードＩより小さく、たとえば１０ワットから最大で１００ワットである。
【００３６】
この第２の操作モードＩＩで、材料は、熱作用により工作物１１から分離されず、レーザアブレーションによりプラズマに変換される。レーザパルスの衝突点での工作物のこの急速な加熱および結果として生じるプラズマ形成には、熱エネルギーが工作物１１内で広がることができないという効果がある。したがって、第２の操作モードＩＩでは、熱の影響を受けた領域は工作物１１上に形成されない。熱の影響を受けた領域Ｗは、切れ刃６２を有するバイトが工作物１１から生成された場合、特に製造すべきバイトの品質を考えると種々の短所を有する。第１の操作モードＩで形成された熱の影響を受けた領域Ｗは、例示的な実施形態の場合と同様に、第２の操作モードＩＩで工作物を機械加工している間に完全に除去される。しかしながら、切れ刃６２の領域内の少なくとも熱の影響を受けた領域Ｗは、生成されたバイトの適当な保存寿命を達成するために除去しなければならない。
【００３７】
材料アブレーション（爆蝕）は、レーザパルスが２次元パルス区域６５上へ所定のシーケンスで導かれるように、第２のレーザヘッド１５により第２の操作モードＩＩで行われる。これを達成するために、パルス区域６５は第２のレーザヘッド１５の光軸Ｏ２に対して傾斜するように配向される。レーザパルスが複数の衝突点にてパルス区域６５の内側で第２のレーザヘッド１５のスキャナレンズシステム５６を介して導かれる間、１つ以上の切込み軸１３が、同時に第２のレーザヘッド１５に対して工作物１１の相対運動を行う。この相対運動は、レーザパルスがパルス区域６５内の衝突点に沿って光学スキャナシステム５６を介して移動する速度より桁違いに遅い。その結果として、材料アブレーションは、パルス区域６５の領域において達成され、上記の材料アブレーションは、切込み軸１３を介した相対運動のために工作物１１に沿ってゆっくり進行する。この第２の操作モードＩＩでは、工作物１１上の所望の最終輪郭６３は、第２のレーザヘッド１５を使用してレーザアブレーションにより生成される。例示的な実施形態を参照すると、切れ刃６２および隣接する逃げ面６４は、これの結果として形成されている。第２の操作モードＩＩでのこの第２の機械加工ステップ中に、熱の影響を受けた領域Ｗは、完全に除去される。
【００３８】
本発明は、レーザ加工装置１０ならびに工作物１１を機械加工する方法に関する。切れ刃６２および逃げ面６４を有する回転バイトは工作物（１１）から製造される。レーザ加工装置１０は、２つの異なる操作モードＩ、ＩＩで機能する。第１の操作モードＩで、第１のレーザヘッド１４は、第１のレーザヘッド１４に対して工作物１１の速い前進速度にて工作物１１を機械加工するのに使用される。その際に、工作物１１は、所望の大まかな輪郭を示すようにレーザ溶融切削により切削される。第１の操作モードＩでは、レーザパルスの持続時間はナノ秒範囲である。その後、レーザ加工装置１０は、第２の操作モードＩＩで操作される。その際に、レーザパルスはピコ秒範囲のパルス持続時間で生成され、このレーザパルスは第１の操作モードＩのレーザパルスより小さい平均電力を示す。第２の操作モードＩＩでは、スキャナヘッドの形の第２のレーザヘッド１５が光学スキャナシステム５６によって起動される。この光学スキャナシステムは、工作物１１の表面上の２次元パルス区域６５上へレーザパルスを導く。第１の操作モードＩと異なって、材料除去は、第２の操作モードＩＩではレーザアブレーションにより達成される。工作物１１上のレーザパルスの熱作用による第１の操作モードＩで形成された熱の影響を受けた領域Ｗは、その後の機械加工ステップ中にレーザアブレーションにより再び少なくとも部分的に除去され、その結果、機械加工された工作物１１の高品質が達成される。
【符号の説明】
【００３９】
１０ レーザ加工装置
１１ 工作物
１２ 保持手段
１３ 切込み軸
１３ｘ 第１の線形ガイド
１３ｙ 第２の線形ガイド
１３ｚ 第３の線形ガイド
１３ｂ 第１の円形ガイド
１３ｃ 第２の円形ガイド
１４ 第１のレーザヘッド
１５ 第２のレーザヘッド
１６ レーザ構成
１７ 切削台
１８ 第１のレール
１９ 第２のレール
２０ 保持部分
２４ 機械フレーム
２５ 棒
２６ 切削台
３０ 制御装置
３１ レーザ光源
３２ ディスクレーザ
３３ ディスク
３４ 放熱板
３５ 出力カプラ
３９ レーザ光源制御装置
４０ レーザ光源出口
４１ 光路
４２ 鏡
４５ 切削ノズル
４６ ガス供給部
４７ 供給管路
４８ 弁
４９ 切削ヘッド制御装置
５０ 偏光鏡
５５ スキャナ制御
５６ 光学スキャナシステム
５７ 光学集光システム
６０ 本体
６１ 切削層
６２ 切れ刃
６３ 所望の輪郭
６４ 逃げ面
６５ パルス区域
６６ 切削面
Ａ１ 第１の加工間隙
Ａ２ 第２の加工間隙
Ｂ 第１の回転軸
Ｃ 第２の回転軸
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点領域
Ｍ 最小値
ＯＬ ディスクレーザの光軸
Ｏ１ 第１のレーザヘッドの光軸
Ｏ２ 第２のレーザヘッドの光軸
Ｗ 熱の影響を受けた領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザで工作物を機械加工するレーザ加工装置ならびにレーザ加工法に関する。工作物は、例えば、抜型、または、切れ刃、面、および逃げ面を有する回転バイトが製造される半製品である。
【背景技術】
【０００２】
レーザにより工作物を機械加工する種々の装置及び方法それ自体は、周知である。例えば、独国特許出願公開第１００２０５５９号明細書では、超短レーザパルスを使用することにより材料を機械加工する装置が説明されている。この場合、レーザパルスは、３００ピコ秒未満のパルス持続時間を有する。更にまた、当該装置は、材料又は工作物に第１のレーザパルスを照射し、その後この照射の結果を検出し、かつ、そこから工作物に関する情報を取得するように配置される試験装置を備える。
【０００３】
米国再発行特許第３９００１号明細書では、セラミックウェーハを切削する方法が説明されている。レーザは、ウェーハにＶ字形溝を形成する。これを達成するために、互いに対して側方に偏位するいくつかの線形処理パスは、Ｖ字形を取得するために実行される。その後、ウェーハは、１つの平面上での１つ以上の工程パスによりＶ字形溝の中央部の所望の地点にて完全に分割される。
【０００４】
更にまた、国際公開第９９／０３６３５号パンフレットでは、エンボス加工ダイ製造のための方法及び装置が開示されている。この場合、レーザビームは、刃物または溝ナイフに対応するために特に木から成る工作物内に溝を切削するために光学集光システムに案内される。または、レーザビームは、光学集光システムの前に配置される折り畳み可能な鏡を介してスキャナに偏向されて導かれる。工作物は、スキャナを介して型彫することができる。型彫の場合、レーザ電力を低減することができる。型彫は、ナイフを伴う工作物のその後の装着を簡素化するために溝が設けられた工作物上で書き込むことを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１００２０５５９号明細書
【特許文献２】国際公開第９９／０３６３５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、工作物、および、特に歯板または回転バイトの非常に経済的な製造であり、同時に、仕上げ縁および表面、特に製造されたバイトの切れ刃の品質を確保することにある。特に、本発明の装置及び方法は、工作物からの切削面および逃げ面を有するバイトの製造に適したものとすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１の種々の特長を示すレーザ加工装置により、ならびに、請求項１０の種々の特長を示すレーザ機械加工法により達成される。
【０００８】
本発明によるレーザ加工装置は、工作物を保持する保持手段を備える。更にまた、装置は、特に、切削ヘッドとして構成される第１のレーザヘッドと、好ましくは、スキャナヘッドとして実行される第２のレーザヘッドを有するレーザ構成を備える。レーザ構成は、レーザパルスを生成するレーザ光源も備える。レーザ構成は、第１の操作モードと第２の操作モードとの間で切り替えることができる。第１の操作モードでは第１のレーザヘッドが使用され、第２の操作モードでは第２のレーザヘッドが、レーザパルスを反射して工作物の上へ集光するのに使用される。いくつかの切込み軸は、２つのレーザヘッドに対して保持手段または工作物を移動または位置決めのうちの少なくとも１つを実施するように配置される。このようにすると、工作物の輪郭の空間的な、いわば３次元機械加工が、切れ刃および隣接逃げ面を生成するために可能である。切込み軸は、回転案内または線形案内の少なくとも１つを含んでもよい。５つ又は６つの切込み軸が設けられることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、第１の操作モードでは、工具はレーザパルスの熱作用により機械加工される。工作物はレーザ溶融切削により機械加工されることが好ましい。第１の操作モードでは、レーザパルスは第２の操作モードより平均電力が大きい。第１の操作モードの平均電力は、例えば、５０ワットから４００ワットの間であってもよく、一方、第２の操作モードの電力は、１０ワットから１００ワットの間であってもよい。第１の操作モードではレーザパルスはナノ秒の範囲のパルス持続時間で生成され、一方、第２の操作モードのレーザパルスはピコ秒の範囲のパルス持続時間を有することが好ましい。したがって、いわば工作物は、第１の操作モードで非常に速い切削速度にて荒削りすることができる。たとえば、第１の操作モードで、２０〜３０メートル／分の前進速度にて１〜２ミリメートルの厚さを有する多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）の縁部を切削するためにレーザ溶融切削を用いることが可能である。
【００１０】
実際、速い機械加工速度は、第１の操作モードで達成されるが、工作物上のレーザの熱作用のために、熱の影響を受けた領域が工作物上に生成され、この領域はたとえば生成すべきバイトの特性に悪影響を与える。したがって、第２の操作モードでは、レーザ構成はレーザアブレーション（レーザ爆蝕、レーザ焼灼術）により工作物を機械加工する。材料は超短レーザパルスによりプラズマ雲に変換され、その場合、レーザパルスの作用の持続時間は非常に極小なので、熱の影響を受けた領域は形成されない。この場合、工作物に対するレーザパルスの作用の持続時間は、これには適したものではない。この第２の操作モード中に、少なくとも１つの部分、および特に第１の操作モードで形成された熱の影響を受けた領域全体が再び除去されることが好ましい。熱の影響を受けた領域は、たとえば、バイトの切れ刃の領域においてなど、少なくとも高品質が必要とされる工作物の領域において除去される。両方の操作モードにおいて、工作物は所望の３次元形態を生成するために外側輪郭の同じ地点にて機械加工される。２段階の方法により、保持手段に取り付けられた工作物は非常に経済的に機械加工することができる。このようにすると、したがって特に効率的にバイトを製造することが可能である。更に、高品質の工作物機械加工が確保される。
【００１１】
レーザ構成は、たとえば、ソリッドステートレーザおよび特にディスクレーザの形で切替え可能なレーザ光源を備えることが好ましい。ロッド、および特にディスクの形状を有するレーザのレーザ結晶は、それぞれ使用される光ポンプの光を増強する両方の操作モードで使用することができる。第１の操作モードで、光ポンプは、レーザパルスの所望のパルス持続時間に対応するナノ秒の範囲の光パルスを生成する。同様に、光ポンプは、第２の操作モードでピコ秒の範囲の光パルスを生成する。各操作モードに対して別個の光ポンプを設置することも可能である。１つ以上のレーザダイオードをたとえば光ポンプとして使用してもよい。レーザ光源は、１つ以上の共振鏡をそれぞれ有する２つの共振器構成を備えてもよく、その場合、操作モードによっては第１の又は第２の共振器構成が使用される。このようなレーザ光源は、独立型でかつ本発明の残りの特長から独立して実行して、かつ、他の用途に使用してもよい。
【００１２】
第１のレーザヘッドにより出射されたレーザパルスを集光することができる第１の焦点領域が、第２のレーザヘッドにより出射されたレーザパルスを集光することができる第２の焦点領域との空間交差部を有しない場合は有利である。特に、第１のレーザヘッドの第１の焦点領域は、第１のレーザヘッドから第１の加工間隙にて光軸に沿って配設される。第２の焦点領域は、第２のレーザヘッドから第２の加工間隙に配置される。好適な実施形態においては、第２の加工間隙は、第１の加工間隙より大きい。これには、工作物が第２の操作モードで機械加工される間、第２のレーザヘッドに対する工作物の空間的な移動または位置決めが第１のレーザヘッドによる障害なく可能であるという利点がある。概して、第２の操作モードでの工作物の仕上げパスには、荒削り中の第１の操作モードの場合よりも、切込み軸を用いた第２のレーザヘッドに対するより複雑な工作物の位置合せおよび移動が必要である。第１の加工間隙を上回る第２の加工間隙が選択された場合、十分に大きい自由領域がバイト移動に利用可能である。
【００１３】
レーザ加工装置の例示的な実施形態においては、２つのレーザヘッドは互いに対して動かないように配設され、それによって、光軸は互いと平行に配設されることが好ましい。
【００１４】
レーザ加工装置は、可動及びたとえば線形に調整可能な偏光手段、たとえば偏光鏡も備えることが好ましい。偏光手段は、レーザパルスの光路に出し入れすることができる。偏光手段の位置によっては、レーザパルスは第１のレーザヘッドまたは第２のレーザヘッドに案内される。したがって、２つのレーザヘッドの１つだけが操作されることが非常に単純な方法で確保される。
【００１５】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項から、並びに本説明によって明らかとなる。本明細書においては、例示的な実施形態を参照して本発明を説明する。その際には、本明細書は、本発明の本質的な特長に制限される。図面は、補足的参照として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】レーザ加工装置の例示的な実施形態のブロック回路図である。
【図２】図１のレーザ加工装置の概略側面図である。
【図３】レーザ加工装置用レーザ光源の、ブロック回路図と類似の概略図である。
【図４】第１の操作モードでの工作物の機械加工の概略図である。
【図５】第２の操作モードでの工作物の機械加工の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および図２は、レーザパルスで工作物１１を機械加工するレーザ加工装置１０の例示的な実施形態を示す。レーザ加工装置１０は、工作物１１を保持または取り付ける保持手段１２を備える。例示的な実施形態により、５つの切込み軸１３を介して、レーザ構成１６の第１のレーザヘッド１４および第２のレーザヘッド１５に対して保持手段１２または工作物１１を移動または位置決めの少なくとも１つを実施することが可能である。切込み軸１３の数は、工作物１１の所望の機械加工の関数として変わってもよい。最大６つまでの切込み軸１３を設けてもよい。
【００１８】
例示的な実施形態においては、切込み軸１３は、線形ガイドとして実施されるものもあれば、円形ガイドとして実施されるものもある。第１の線形ガイド１３ｘは、ｘ方向において線形に移動させることができる切削台１７を備え、上記の切削台は（例示的な実施形態においては）案内されるように、第１のレール１８で頂部から支持され、上記のレール及びそれに平行した第２のレール１９で支持される。
【００１９】
第１の円形ガイド１３ｂは切削台１７上に配設され、Ｌ字形保持部分２０の第１の周縁は第１の回転軸Ｂ周りに回転可能であるように第１の円形ガイド上で支持されている。保持部分２０の他の周縁は、回転軸Ｂとほぼ平行に延在するし、そこから少し離れたところに延在する。第２の円形ガイド１３ｃが保持部分２０のこの周縁上に配設され、周縁上で、保持手段１２は第２の回転軸Ｃ周りに回転可能であるように支持されている。第２の回転軸Ｃは、回転軸Ｂに対して直角に、すなわち例示的な実施形態においては垂直面上に延在する。
【００２０】
２つのレール１８、１９は機械フレーム２４に取り付けられる。例示的な実施形態においては、棒２５は、切削台１７より上方に機械フレーム２４上に配設され、上記の棒は、ｙ方向でレーザヘッド１４、１５を移動させる第２の線形ガイド１３ｙを形成する。第３の線形ガイド１３ｚによりＺ方向に移動させることができる切削台２６が、棒２５上に配設され、上記の切削台は２つのレーザヘッド１４、１５を支える。２つのレーザヘッド１４、１５は、したがって、互いに対して直角にてある空間方向に、第２の線形ガイド１３ｙおよび第３の線形ガイド１３ｚを介して線形方向にずらすことができる。
【００２１】
切込み軸１３は、レーザ加工装置１０の制御装置３０により起動される。工作物が機械加工される間、工作物１１は、レーザパルスが所定の角度にておよび工作物１１上の所定の場所にて当たるように、第１のレーザヘッド１４または第２のレーザヘッド１５に対して位置決めおよび位置合わせされる。
【００２２】
レーザ構成１６は、第１の操作モードＩで、ナノ秒の範囲のパルス持続時間でレーザパルスを生成し、レーザ構成１６の第２の操作モードＩＩでピコ秒の範囲のパルス持続時間を有するレーザパルスを生成するレーザ光源３１を備える。レーザパルスの平均電力は、第２の操作モードＩＩより第１の操作モードＩのほうが大きい。レーザパルスを生成するために好適な例示的な実施形態の切替え可能なレーザ光源３１は、図３に概略的に示されているようなディスクレーザ３２を備える。ディスクレーザ３２は、たとえば数百マイクロメートルの厚さを有してもよいディスク３３の形でレーザの結晶を備える。冷却については、ディスク３３が放熱板３４上に平らに配設されている。ディスクレーザ３２の光軸ＯＬはディスク３３に直角に延在する。上記のディスクは放熱板３４に対向するその裏側の上でミラーコーティングが施され、同時に共振器鏡の役目を果たす。ディスク３３から少し離れて、ディスク３３により出射されたレーザ光を束ねるレーザ出力カプラ３５が光軸ＯＬ上に設置されている。ディスク３３として構成されたレーザの結晶は、光ポンプ３６、３７の光ＰＬによって励起される。その際に、光ポンプ３６、３７の光はディスク３３を数回通過する。これを確保するために、更なるレンズまたは共振鏡の少なくとも１つを設置してもよく、これらは、明瞭さを期すために図３には図示されていない。しかしながら、レンズまたは共振鏡の少なくとも１つを有する２つの共振器構成を設置することが可能であり、その場合、一方の共振器構成は第１の操作モードＩで使用され、他方の共振器構成は第２の操作モードＩＩで使用される。両方の共振器構成は、上記のディスクの裏側でディスク３３および共振鏡を使用する。
【００２３】
少なくとも１つの光ポンプ３６、３７は光パルスを生成する。第１の操作モードＩで、光パルスはナノ秒の範囲の持続時間を有し、一方、第２の操作モードＩＩの光パルスはピコ秒の範囲の持続時間を有する。たとえば、レーザダイオードは光ポンプ３６、３７として使用してもよい。第１の操作モードＩには第１の光ポンプ３６を、および第２の操作モードＩＩには第２の光ポンプ３７を設置することも可能である。両方の操作モードＩ、ＩＩにおいて、同じレーザの結晶がポンプ光ＰＬの増幅器として使用される。例示的な実施形態においては、これはディスク３３である。
【００２４】
レーザ光源制御３９は、第１の操作モードＩから第２の操作モードＩＩに、および、第２の操作モードＩＩから第１の操作モードＩにレーザ光源３１を切り替えるのに設置され、上記のレーザ光源制御は制御装置３０により起動される。レーザ光源制御３９は、レーザパルスのパルス持続時間の設定値およびレーザパルスの平均電力の設定値を設定する。
【００２５】
両方の操作モードＩ、ＩＩにおいて、レーザパルスは、レーザ光源出口４０に切替え可能なレーザ光源３２により出力されて光路４１に沿って２つのレーザヘッド１４、１５に案内される。これを達成するために、いくつかの鏡４２または他の偏光装置を光路４１内に配設してもよい。
【００２６】
例示的な実施形態においては、第１のレーザヘッド１４は切削ヘッドとして構成されている。切削ヘッドは切削ノズル４５を備え、該切削ノズル４５を介して、ガス供給部４６からのガスが、第１のレーザヘッド１４の第１の焦点領域Ｆ１近傍で、第１の操作モードで機械加工すべき工作物１１上へ供給管路４７を介して分配される。ガスの量を制御する弁４８が供給管路内に配設され、当該弁４８は切削ヘッド制御装置４９を介して作動される。
【００２７】
第１の焦点領域Ｆ１は、第１のレーザヘッド１４の光軸Ｏ１上の地点または距離を表す。第１のレーザヘッド１４のレーザパルスの焦点は、第１のレーザヘッド１４から不変の距離にあってもよい。あるいは、レーザパルスの焦点は、所定の限界内で光軸Ｏ１の第１の焦点領域Ｆ１の内側の第１のレーザヘッド１４のレンズシステムを介して調節することもできる。
【００２８】
切削ヘッド制御装置４９も、図１に破線で示されている第１の位置と第２の位置との間に移動可能で、かつ、この例では転移可能な偏光鏡５０を移動させるように機能する。第２の位置においては、偏光鏡５０は光路４１内に配置されてレーザ光源４１により出射されたレーザパルスを第１のレーザヘッド１４に偏向させる。偏光鏡５０が光路４１の外側に配置される場合、レーザパルスは、光路４１に沿って第２のレーザヘッド１５に偏向する。切削ヘッド制御装置４９は、制御装置３０により起動される。
【００２９】
更に、制御装置３０は、第２のレーザヘッド１５を制御するスキャナ制御５５を起動させ、上記のレーザヘッドには、光学スキャナシステム５６が装備されている。光学スキャナシステムは、たとえば、２つ又は３つの枢動可能な鏡を備え、光学集光システム５７を介して第２のレーザヘッド１５により出射されたレーザパルスが１つの区域において工作物１１の表面に導くことができるようになっている。したがって、スキャナヘッドとして構成されている第２のレーザヘッド１５は、第２の焦点領域Ｆ２において工作物面上へレーザパルスを導く。第２の焦点領域Ｆ２は、直角にて配向するかまたは第２のレーザヘッド１５の光軸に対して傾斜させてもよい工作物１１上の区域である。
【００３０】
第１の焦点領域Ｆ１は、第１のレーザヘッド１４から、および、この例では、切削ノズル４５の自由端から第１の加工間隙Ａ１にある。工作物面上の第２の焦点領域Ｆ２内での集光レーザパルスの衝突点は、第２のレーザヘッド１５からまたは光学集光システム５７から第２の加工間隙Ａ２にある。第２の加工間隙Ａ２は、第１の加工間隙Ａ１より最小値Ｍ分大きい。第１の加工間隙Ａ１は、１ミリメートルの数十分の一から最高でおよそ２または３ミリメートルである。第２の加工間隙Ａ２は、５センチメートルより大きく２０センチメートルまでであることが好ましい。
【００３１】
動作モードおよび好適なレーザ機械加工法を図４および図５を参照して以下で説明する。
【００３２】
初めに、工作物１１を保持手段１２によって取り付ける。工作物１１は、歯板および回転バイトが製造される半製部品である。工作物１１は、切削層６１が施された硬質金属の本体６０を備える。例示的な実施形態においては、切削層６１は、多結晶質ダイヤモンドから成る。完全に機械加工された工作物１１においては、切れ刃６２は、この切削層６１上に施されている。
【００３３】
生成すべき自由角度に対応して、第１のレーザヘッド１４の光軸Ｏ１に対して傾斜するように工作物１１を位置合わせする。ナノ秒の範囲のレーザパルスを生成するように切替え可能なレーザ光源３１を調節する。その際に、レーザパルスの平均電力は、４０ワットから４００ワットの間である。レーザ光源３１により生成されたレーザパルスが第１のレーザヘッド１４に偏向されるように偏光鏡５０を光路４１内に移動する。レーザ加工装置１０は、図４に概略的に示すように第１の操作モードＩで作動する。その際に、工作物１１は、レーザビームパルスの熱作用のためにレーザ溶融切削により機械加工される。工作物１１が切削される間、工作物を第１の操作モードＩで２０〜３０メートル／分の高速にて前進させることができる。このようにすると、工作物の大まかな輪郭を生成することができる。速い前進速度のために、機械加工は第１の操作モードＩでは超高速である。第１の操作モードＩで、いわば荒加工作業が実行される。
【００３４】
しかしながら、その際に、図４において平行線模様の区域により概略的に示されているように、熱の影響を受けた領域Ｗが切削面の近傍に形成される。レーザ溶融切削により生成された切削面６６は、したがって第１の操作モードＩでは最終所望の輪郭６３に対して少し距離を有して配置され、この距離は、切削面６６から工作物１１に延在する熱の影響を受けた領域Ｗの深さより大きい。所望の輪郭６３を表す図４内の自由域は、破線で示されている。
【００３５】
その後、レーザ加工装置１０のレーザ構成１６は、第２の操作モードＩＩに切り替える。この第２の操作モードＩＩでは、第２のレーザヘッド１５を使用する。その結果として、偏光鏡５０は光路４１から移動してはずれる。切替え可能なレーザ光源３１を逆転させると、切替え可能なレーザ光源３１は第１の操作モードＩより短いパルス持続時間でレーザパルスを送出し、このパルス持続時間は、たとえばピコ秒の範囲である。これらのレーザパルスは、偏光鏡４２によりレーザ源出力４０により光路４１内に供給されて第２のレーザヘッド１５に偏向される。そこで、レーザパルスは、図５により示されているように、光学スキャナシステム５６および光学集光システム５７を介して工作物面の上へ導かれる。レーザパルスの平均電力は第１の操作モードＩより小さく、たとえば１０ワットから最大で１００ワットである。
【００３６】
この第２の操作モードＩＩで、材料は、熱作用により工作物１１から分離されず、レーザアブレーションによりプラズマに変換される。レーザパルスの衝突点での工作物のこの急速な加熱および結果として生じるプラズマ形成には、熱エネルギーが工作物１１内で広がることができないという効果がある。したがって、第２の操作モードＩＩでは、熱の影響を受けた領域は工作物１１上に形成されない。熱の影響を受けた領域Ｗは、切れ刃６２を有するバイトが工作物１１から生成された場合、特に製造すべきバイトの品質を考えると種々の短所を有する。第１の操作モードＩで形成された熱の影響を受けた領域Ｗは、例示的な実施形態の場合と同様に、第２の操作モードＩＩで工作物を機械加工している間に完全に除去される。しかしながら、切れ刃６２の領域内の少なくとも熱の影響を受けた領域Ｗは、生成されたバイトの適当な保存寿命を達成するために除去しなければならない。
【００３７】
材料アブレーション（爆蝕）は、レーザパルスが２次元パルス区域６５上へ所定のシーケンスで導かれるように、第２のレーザヘッド１５により第２の操作モードＩＩで行われる。これを達成するために、パルス区域６５は第２のレーザヘッド１５の光軸Ｏ２に対して傾斜するように配向される。レーザパルスが複数の衝突点にてパルス区域６５の内側で第２のレーザヘッド１５のスキャナレンズシステム５６を介して導かれる間、１つ以上の切込み軸１３が、同時に第２のレーザヘッド１５に対して工作物１１の相対運動を行う。この相対運動は、レーザパルスがパルス区域６５内の衝突点に沿って光学スキャナシステム５６を介して移動する速度より桁違いに遅い。その結果として、材料アブレーションは、パルス区域６５の領域において達成され、上記の材料アブレーションは、切込み軸１３を介した相対運動のために工作物１１に沿ってゆっくり進行する。この第２の操作モードＩＩでは、工作物１１上の所望の最終輪郭６３は、第２のレーザヘッド１５を使用してレーザアブレーションにより生成される。例示的な実施形態を参照すると、切れ刃６２および隣接する逃げ面６４は、これの結果として形成されている。第２の操作モードＩＩでのこの第２の機械加工ステップ中に、熱の影響を受けた領域Ｗは、完全に除去される。
【００３８】
本発明は、レーザ加工装置１０ならびに工作物１１を機械加工する方法に関する。切れ刃６２および逃げ面６４を有する回転バイトは工作物（１１）から製造される。レーザ加工装置１０は、２つの異なる操作モードＩ、ＩＩで機能する。第１の操作モードＩで、第１のレーザヘッド１４は、第１のレーザヘッド１４に対して工作物１１の速い前進速度にて工作物１１を機械加工するのに使用される。その際に、工作物１１は、所望の大まかな輪郭を示すようにレーザ溶融切削により切削される。第１の操作モードＩでは、レーザパルスの持続時間はナノ秒範囲である。その後、レーザ加工装置１０は、第２の操作モードＩＩで操作される。その際に、レーザパルスはピコ秒範囲のパルス持続時間で生成され、このレーザパルスは第１の操作モードＩのレーザパルスより小さい平均電力を示す。第２の操作モードＩＩでは、スキャナヘッドの形の第２のレーザヘッド１５が光学スキャナシステム５６によって起動される。この光学スキャナシステムは、工作物１１の表面上の２次元パルス区域６５上へレーザパルスを導く。第１の操作モードＩと異なって、材料除去は、第２の操作モードＩＩではレーザアブレーションにより達成される。工作物１１上のレーザパルスの熱作用による第１の操作モードＩで形成された熱の影響を受けた領域Ｗは、その後の機械加工ステップ中にレーザアブレーションにより再び少なくとも部分的に除去され、その結果、機械加工された工作物１１の高品質が達成される。
【符号の説明】
【００３９】
１０ レーザ加工装置
１１ 工作物
１２ 保持手段
１３ 切込み軸
１３ｘ 第１の線形ガイド
１３ｙ 第２の線形ガイド
１３ｚ 第３の線形ガイド
１３ｂ 第１の円形ガイド
１３ｃ 第２の円形ガイド
１４ 第１のレーザヘッド
１５ 第２のレーザヘッド
１６ レーザ構成
１７ 切削台
１８ 第１のレール
１９ 第２のレール
２０ 保持部分
２４ 機械フレーム
２５ 棒
２６ 切削台
３０ 制御装置
３１ レーザ光源
３２ ディスクレーザ
３３ ディスク
３４ 放熱板
３５ 出力カプラ
３９ レーザ光源制御装置
４０ レーザ光源出口
４１ 光路
４２ 鏡
４５ 切削ノズル
４６ ガス供給部
４７ 供給管路
４８ 弁
４９ 切削ヘッド制御装置
５０ 偏光鏡
５５ スキャナ制御
５６ 光学スキャナシステム
５７ 光学集光システム
６０ 本体
６１ 切削層
６２ 切れ刃
６３ 所望の輪郭
６４ 逃げ面
６５ パルス区域
６６ 切削面
Ａ１ 第１の加工間隙
Ａ２ 第２の加工間隙
Ｂ 第１の回転軸
Ｃ 第２の回転軸
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点領域
Ｍ 最小値
ＯＬ ディスクレーザの光軸
Ｏ１ 第１のレーザヘッドの光軸
Ｏ２ 第２のレーザヘッドの光軸
Ｗ 熱の影響を受けた領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物（１１）を保持する保持手段（１２）と、
第１の操作モード（Ｉ）と第２の操作モードの２つの操作モード（ＩＩ）の間で切り替えることができ、前記第１の操作モード（Ｉ）で使用することができる第１のレーザヘッド（１４）と前記第２の操作モード（ＩＩ）で使用することができる第２のレーザヘッド（１５）とを備える、レーザ構成（１６）と、
を備え、
前記レーザ構成（１６）が、前記第１の操作モード（Ｉ）で熱作用により工作物を機械加工し、第２の操作モード（ＩＩ）でレーザアブレーションにより工作物を機械加工するように配置され、
また、前記第１および前記第２のレーザヘッド（１４、１５）に対して前記保持手段（１２）を移動または位置決めの少なくとも１つを実施する切込み軸（１３）とを備える、レーザ加工装置（１０）。
【請求項２】
前記レーザ構成（１６）が、前記第１の操作モード（Ｉ）で前記ナノ秒の範囲のレーザパルスを生成し、前記第２の操作モード（ＩＩ）でピコ秒の範囲のレーザパルスを生成するレーザ光源（３１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光源（３１）が、ソリッドステートレーザと、ディスクレーザ（３２）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記ディスクレーザ（３２）のディスク（３３）が、光ポンプ（３６、３７）の光を増強するために、第１及び第２の操作モード（Ｉ、ＩＩ）の両方で使用されることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１のレーザヘッド（１４）が、レーザ溶融切削用切削ヘッドとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第２のレーザヘッド（１５）が、光学スキャナシステム（５６）を有するスキャナヘッドとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記第１のレーザヘッド（１４）により出射されたレーザパルスを集光することができる第１の焦点領域（Ｆ１）が、前記第２のレーザヘッド（１５）により出射されたレーザパルスを集光することができる第２の焦点領域（Ｆ２）に対して重ならずに配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記第２のレーザヘッド（１５）により出射されたレーザパルスを集光することができる前記第２の焦点領域（Ｆ２）が、前記第１のレーザヘッド（１４）または前記第２のレーザヘッド（１５）の少なくとも１つから、前記第１のレーザヘッド（１４）により出射されたレーザパルスを集光することができる前記第１の焦点領域（Ｆ１）より大きい加工間隙（Ａ２）にあることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ構成（１６）が、前記第１のレーザヘッド（１４）または前記第２のレーザヘッド（１５）にレーザパルスを偏向させるためにレーザパルスの光路（４１）に出入りすることができる可動光学偏光手段（５０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
工作物（１１）を機械加工する方法であって、
第１のレーザヘッド（１４）に対して前記工作物（１１）を位置決めまたは移動の少なくとも１つを実施するステップと、
前記第１のレーザヘッド（１４）により前記工作物が熱作用により機械加工される第１の操作モード（Ｉ）で、切替え可能なレーザ構成（１６）を操作するステップと、
第２のレーザヘッド（１５）に対して前記工作物（１１）を位置決めまたは移動の少なくとも１つを実施するステップと、
前記第２のレーザヘッド（１５）により前記工作物がレーザアブレーションにより機械加工される第２の操作モード（ＩＩ）で、前記切替え可能なレーザ構成（１６）を操作するステップと
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記レーザ構成（１６）の前記第１の操作モード（Ｉ）において、レーザパルスが前記ナノ秒の範囲において生成され、前記工作物（１１）がレーザ溶融切削により機械加工されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザ構成（１６）の前記第２の操作モード（ＩＩ）において、ピコ秒の範囲のレーザパルスが生成され、前記工作物（１１）がレーザアブレーションにより機械加工されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザ構成（１６）の前記第２の操作モード（ＩＩ）において、前記工作物（１１）が前記第１の操作モード（Ｉ）で機械加工されている間に形成される熱の影響を受けた領域（Ｗ）が、少なくとも部分的に除去されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の操作モード（ＩＩ）において、前記工作物（１１）が、切れ刃（６２）を生成するために精密機械加工または仕上げ、またはチップ案内ステップ、または表面の構造化の内の少なくとも１つを受けることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の操作モード（Ｉ）におけるレーザパルスの平均電力が、前記第２の操作モード（ＩＩ）におけるよりも大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１】
工作物（１１）を保持する保持手段（１２）と、
第１の操作モード（Ｉ）と第２の操作モードの２つの操作モード（ＩＩ）の間で切り替えることができ、前記第１の操作モード（Ｉ）で使用することができる第１のレーザヘッド（１４）と前記第２の操作モード（ＩＩ）で使用することができる第２のレーザヘッド（１５）とを備える、レーザ構成（１６）と、
を備え、
前記レーザ構成（１６）が、前記第１の操作モード（Ｉ）で熱作用により工作物を機械加工し、第２の操作モード（ＩＩ）でレーザアブレーションにより工作物を機械加工するように配置され、
また、前記第１および前記第２のレーザヘッド（１４、１５）に対して前記保持手段（１２）を移動または位置決めの少なくとも１つを実施する切込み軸（１３）とを備える、レーザ加工装置（１０）。
【請求項２】
前記レーザ構成（１６）が、前記第１の操作モード（Ｉ）で前記ナノ秒の範囲のレーザパルスを生成し、前記第２の操作モード（ＩＩ）でピコ秒の範囲のレーザパルスを生成するレーザ光源（３１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光源（３１）が、ソリッドステートレーザと、ディスクレーザ（３２）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記ディスクレーザ（３２）のディスク（３３）が、光ポンプ（３６、３７）の光を増強するために、第１及び第２の操作モード（Ｉ、ＩＩ）の両方で使用されることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記第１のレーザヘッド（１４）が、レーザ溶融切削用切削ヘッドとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記第２のレーザヘッド（１５）が、光学スキャナシステム（５６）を有するスキャナヘッドとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記第１のレーザヘッド（１４）により出射されたレーザパルスを集光することができる第１の焦点領域（Ｆ１）が、前記第２のレーザヘッド（１５）により出射されたレーザパルスを集光することができる第２の焦点領域（Ｆ２）に対して重ならずに配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記第２のレーザヘッド（１５）により出射されたレーザパルスを集光することができる前記第２の焦点領域（Ｆ２）が、前記第１のレーザヘッド（１４）または前記第２のレーザヘッド（１５）の少なくとも１つから、前記第１のレーザヘッド（１４）により出射されたレーザパルスを集光することができる前記第１の焦点領域（Ｆ１）より大きい加工間隙（Ａ２）にあることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ構成（１６）が、前記第１のレーザヘッド（１４）または前記第２のレーザヘッド（１５）にレーザパルスを偏向させるためにレーザパルスの光路（４１）に出入りすることができる可動光学偏光手段（５０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
工作物（１１）を機械加工する方法であって、
第１のレーザヘッド（１４）に対して前記工作物（１１）を位置決めまたは移動の少なくとも１つを実施するステップと、
前記第１のレーザヘッド（１４）により前記工作物が熱作用により機械加工される第１の操作モード（Ｉ）で、切替え可能なレーザ構成（１６）を操作するステップと、
第２のレーザヘッド（１５）に対して前記工作物（１１）を位置決めまたは移動の少なくとも１つを実施するステップと、
前記第２のレーザヘッド（１５）により前記工作物がレーザアブレーションにより機械加工される第２の操作モード（ＩＩ）で、前記切替え可能なレーザ構成（１６）を操作するステップと
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
前記レーザ構成（１６）の前記第１の操作モード（Ｉ）において、レーザパルスが前記ナノ秒の範囲において生成され、前記工作物（１１）がレーザ溶融切削により機械加工されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザ構成（１６）の前記第２の操作モード（ＩＩ）において、ピコ秒の範囲のレーザパルスが生成され、前記工作物（１１）がレーザアブレーションにより機械加工されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザ構成（１６）の前記第２の操作モード（ＩＩ）において、前記工作物（１１）が前記第１の操作モード（Ｉ）で機械加工されている間に形成される熱の影響を受けた領域（Ｗ）が、少なくとも部分的に除去されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の操作モード（ＩＩ）において、前記工作物（１１）が、切れ刃（６２）を生成するために精密機械加工または仕上げ、またはチップ案内ステップ、または表面の構造化の内の少なくとも１つを受けることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の操作モード（Ｉ）におけるレーザパルスの平均電力が、前記第２の操作モード（ＩＩ）におけるよりも大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１６６２６７（Ｐ２０１２−１６６２６７Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８１６８（Ｐ２０１２−２８１６８）
【出願日】平成２４年２月１３日（２０１２．２．１３）
【出願人】（５１０２８０３７２）エワーグ アーゲー (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１３日（２０１２．２．１３）
【出願人】（５１０２８０３７２）エワーグ アーゲー (3)
【Ｆターム（参考）】
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