用于通过流体射流引导的激光束使工件3D成形的设备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于通过利用激光束102进行的材料烧蚀而使工件101 3D成形的设备100。所述设备100包括加工单元103，该加工单元103被配置成将加压的流体射流104提供至工件101上并将激光束102朝向工件101耦合至流体射流104中。另外，所述设备100包括运动控制器105，该运动控制器105被配置成设定工件101相对于加工单元103的x‑y‑z位置。所述设备100还包括测量单元107，该测量单元107被配置成测量加压的流体射流104在工件101上的入射点108沿z方向的z位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于通过流体射流引导的激光束使工件3D成形的设备
本专利技术涉及一种用于通过材料烧蚀而使工件三维(3D)成形为最终零部件的设备。利用在流体射流中被引导至工件上的激光束、优选地脉冲激光束来实现材料烧蚀。本专利技术还涉及一种通过利用耦合至流体射流中的激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的方法。
技术介绍
用于利用耦合至加压的流体射流中的激光束对工件进行加工的传统设备是普遍已知的。然而，利用这种传统设备对工件进行“加工”仅限于贯穿切削和贯穿钻孔。该设备的加工过程控制不足以允许使工件完整地3D成形为最终零部件。这主要是由于这样的事实：传统设备最多只知道激光束在工件的哪个x-y位置处烧蚀材料，但是不知道发生材料烧蚀的z位置。因此，该设备也无法确定激光束实际上在工件的z方向(深度)烧蚀多少材料。因此，传统设备例如不能精确地控制进入工件的切削深度或钻孔深度。工件的传统3D成形通过增材制造(AdditiveManufacturing，AM)或减材制造(SubtractiveManufacturing，SM)进行。“AM”是指通过材料沉积(通常是逐层沉积)建立最终零部件的期望3D形状的过程，而“SM”是指从工件(固体实体)中去除材料以便获得最终零部件的期望3D形状的过程。对于许多实际应用，SM比AM更优选。这是因为使用SM可以更快、更有效、且更经济地生产许多零部件。另外，激光SM(即利用激光束从工件上去除材料)的优势在于，激光SM可以与传统的加工技术(例如铣削)结合，以实现更有效的整体成形过程。然而，传统的激光SM是相对缓慢且非常不精确的过程。鉴于上述内容，本专利技术的目标在于改进用于生产具有期望3D形状的零部件的传统SM，特别是提高处理速度和精度。为此目的，本专利技术旨在利用如下设备的优势，该设备用于通过SM利用耦合至流体射流中的激光束对工件进行加工。因此，本专利技术的目的是提供一种用于通过利用由流体射流引导的激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的设备和方法。特别地，该设备和方法应当能够使工件成形为具有任何期望的3D形状的最终零部件。成形过程应当快速且准确。因此，本专利技术的设备和方法还应当使SM过程比传统的SM更有效率且更经济。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过所附独立权利要求中提供的解决方案来实现的。在从属权利要求中限定了本专利技术的有利实施方式。特别地，本专利技术提出使用耦合至流体射流中的激光束通过材料烧蚀而使工件3D成形。通过利激光束从工件上去除材料而使工件成形为最终零部件。换句话说，最终零部件是通过SM获得的。本专利技术的第一方面提供了一种用于通过利用激光束进行的材料烧蚀而使工件3D成形的设备，该设备包括：加工单元，该加工单元被配置成将加压的流体射流提供至工件上并将激光束朝向工件耦合至流体射流中；运动控制器，该运动控制器被配置成设定工件相对于所述加工单元的x-y-z位置；测量单元，该测量单元被配置成测量所述加压的流体射流在工件上的入射点沿z方向的z位置。运动控制器允许在三个维度上移动工件，以利用激光束实现任何3D轮廓的成形。设定的x-y-z位置与工件在预定的轴(坐标)系统中相对于原点位置(o-o-o位置)的位置有关。由此，由运动控制器设定的工件的x-y-z位置可以通过可移动的加工面(在其上放置有工件)的定位来确定。运动控制器还能够沿旋转方向移动工件(例如，实现平移、倾斜和滚动)。优选地，运动控制器能够以高速度和高精度改变工件的位置。因此，通过材料烧蚀使工件3D成形能够以当今不具备的速度和精度实现。可替选地，轴系统在所有的线性轴和旋转轴或在这些轴中的一些轴上移动加工单元。在3D成形过程中，测量单元用作深度传感器，并且在任何时间和任何位置(即流体射流和激光束撞击在工件上的位置)提供有关材料烧蚀的z位置的知识。该z位置通常与运动控制器设定的材料表面的z位置不同。例如，如果流体射流沿工件表面移动，或者如果激光束从工件表面烧蚀材料(即加工成工件)，则该z位置可能改变。激光束从工件表面烧蚀材料使入射点更深地移动至工件中。通过运动控制器也设定z位置的一个原因是确保受控的成形过程。优选地，将工件定位成使得其在距流体射流产生点一定距离内被流体射流冲击，该流体射流产生点恒定地在确定的范围内。因此，即使在z方向上从工件烧蚀掉越来越多的工件材料，工件也可以始终与流体射流的最有效地引导激光束的部分相互作用。值得注意的是，在本文中，术语“流体射流”是指能够像纤维一样引导激光束的层流状流体射流。由所述设备输出的流体仅在一定长度上形成层流状流体射流，并且超过该长度，流体射流变成不稳定的流体流，该流体流最终分散成液滴。在本文中，“测量”流体射流在工件上的入射点的z位置包括物理量的至少一个有效测量。例如，该测量可以包括测量从测量单元发射波的时间点与由测量单元接收从工件反射的波的时间点之间的时间差。作为另一示例，如果使用干涉原理，则该测量可以包括测量不同波的相位差。作为另一示例，该测量可以包括流体射流的特征长度的光学、电气或电容测量。“测量”z位置不仅仅意味着基于例如设备、工件和/或最终零部件的一些已知尺寸来估计z位置。测量的流体射流在工件上的入射点的z位置允许确定激光束在给定x-y位置处沿z方向从工件上烧蚀掉多少材料。该信息对于获得完整的3D成形能力至关重要。发生材料烧蚀的x-y位置可从由运动控制器设定的x-y-z位置的x-y坐标得到。因此，第一方面的设备具有关于工件的3D成形过程的完整控制和位置信息。因此，所述设备有利地被配置成通过基于加压的流体射流在工件上的入射点的z位置的材料烧蚀来控制工件的3D成形。在第一方面的优选的实施形式中，激光控制器被配置成基于由运动控制器设定的x-y-z位置和由测量单元测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置来调节激光束的功率或能量。因此，工件的快速、精确且完全受控的3D成形过程是可行的。在第一方面的另一优选实施形式中，激光束是脉冲式的，并且所述设备还包括激光控制器，该激光控制器被配置成基于由运动控制器针对每个激光脉冲设定的x-y-z位置以及由测量单元在该激光脉冲之前测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置，单独地调节每个激光脉冲的能量。这意味着，每个激光脉冲的能量可以由设备单独地调节，以在工件的z方向(深度)上(在激光烧蚀的给定x-y位置处)实现特定量的材料烧蚀。特别地，可以以快速且直接的方式来控制每个激光脉冲的烧蚀结果。因此，工件的快速且精确的3D成形过程是可行的。在第一方面的另一优选实施形式中，测量单元被配置成确定每个激光脉冲在由测量单元在该激光脉冲之后测量的加压的流体射流在工件上的入射点的z位置处的烧蚀结果，并且激光控制器被配置成基于所确定的烧蚀结果来调节下一个激光脉冲的能量。因此，所述设备获得了关于利用上一个激光脉冲在z方向上烧蚀的材料量的知识，并且可以在设定用于下一个激光脉冲的能量时考虑该信息。为了从工件表面烧蚀层，两个激光脉冲可以发生在工件的不同x-y位置处。然而，为了获得特定量的材料烧蚀或校正烧蚀结果，两个激光脉冲也可以发生在工件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过利用激光束(102)进行的材料烧蚀而使工件(101)3D成形的设备(100)，所述设备(100)包括：/n加工单元(103)，所述加工单元(103)被配置成将加压的流体射流(104)提供到所述工件(101)上并将所述激光束(102)朝向所述工件(101)耦合至所述流体射流(104)中，/n运动控制器(105)，所述运动控制器(105)被配置成设定所述工件(101)相对于所述加工单元(103)的x-y-z位置，/n测量单元(107)，所述测量单元(107)被配置成测量所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)沿z方向的z位置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171204 EP 17205193.01.一种用于通过利用激光束(102)进行的材料烧蚀而使工件(101)3D成形的设备(100)，所述设备(100)包括：
加工单元(103)，所述加工单元(103)被配置成将加压的流体射流(104)提供到所述工件(101)上并将所述激光束(102)朝向所述工件(101)耦合至所述流体射流(104)中，
运动控制器(105)，所述运动控制器(105)被配置成设定所述工件(101)相对于所述加工单元(103)的x-y-z位置，
测量单元(107)，所述测量单元(107)被配置成测量所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)沿z方向的z位置。


2.根据权利要求1所述的设备(100)，还包括：
激光控制器(106)，所述激光控制器(106)被配置成基于由所述运动控制器(105)设定的x-y-z位置和由所述测量单元(107)测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置来调节所述激光束(102)的功率或能量。


3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，
所述激光束(102)是脉冲式的，并且所述设备(100)还包括：
激光控制器(106)，所述激光控制器(106)被配置成基于由所述运动控制器(105)针对每个激光脉冲(200)设定的x-y-z位置以及由所述测量单元(107)在所述激光脉冲(200)之前测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置，单独地调节每个激光脉冲(200)的能量。


4.根据权利要求3所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成确定每个激光脉冲(200)在由所述测量单元(107)在所述激光脉冲(200)之后测量的所述加压的流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置处的烧蚀结果，并且所述激光控制器(106)被配置成基于所确定的烧蚀结果来调节下一个激光脉冲(200)的能量。


5.根据权利要求3或4所述的设备(100)，其中，
所述激光控制器(106)被配置成通过设定每个激光脉冲(200)的宽度和/或振幅、和/或通过设定脉冲(200)的速率并因此设定连续的脉冲(200)之间的时间延迟、和/或通过执行脉冲猝发(201)来控制每个激光脉冲(200)的能量。


6.根据权利要求5所述的设备(100)，其中，
所述激光控制器(106)被配置成控制每个激光脉冲(200)的能量，使得每个激光脉冲(200)在由所述运动控制器(105)针对所述激光脉冲(200)设定的所述工件(101)的x-y-z位置处沿z方向烧蚀1μm至1000μm深度的工件材料。


7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(100)，还包括：
用于生成所述激光束(102)的激光源(110)，所述激光源(110)包括所述激光控制器(106)和用于调制所述激光脉冲(200)的快速开关，所述快速开关优选为Q开关(400)。


8.根据权利要求3至7中任一项所述的设备(100)，其中，
所述测量单元(107)被配置成在两个接连的激光脉冲(200)之间的时间段内测量所述流体射流(104)在所述工件(101)上的入射点(108)的z位置。


9.根据权利要求3至8中任一项所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成在每个激光脉冲(200)之后逐步地或连续地改变所述工件(101)相对于所述加工单元(103)的x-y-z位置。


10.根据权利要求9所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成当沿轨迹移动所述工件(101)时，加速或减速所述工件(101)的x-y-z位置的改变，并且
所述激光控制器(106)被配置成相应地增大或减小激光脉冲的频率，使得沿所述轨迹每单位距离的激光脉冲(200)的数量是恒定的。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(100)，其中，
所述运动控制器(105)被配置成反复地改变所述工件(101)的x-y-z位置，使得所述激光束(102)在x-y平面中扫描工件表面(109)。


12.根据权利要求11所述的设备(100)，所述设备(100)被配置成：
根据由所述运动控制器(105)给出的x-y-z位置，在所述工件表面(109)的扫描期间选择性地激活或停用所述激光束(102)。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备(100)，所述设备(100)被配置成：
通过利用所述激光束(102)逐层地烧蚀工件材料的多个层(800)来使所述工件(101)成形。


14.根据权利要求13所述的设备(100)，其中，
所述多个层(800)中的每个层在x-y平面中占据单独地预先确定的面积，并且具有沿z方向的单独地预先确定的均匀或不均匀的厚度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·里彻兹哈根，D·希珀特，H·迪厄，
申请(专利权)人：辛诺瓦有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH