烧结陶瓷和其它坚硬和／或厚的材料的激光加工制造技术

本发明专利技术揭示激光加工烧结陶瓷和其它坚硬和／或厚材料，其包含：利用一激光射束沿着一工作件的切除区内的一平行激光路径序列来削切该工作件。该削切作用会在该切除区中产生一切口，该切口会随着该激光射束在该序列中前进而增宽。该序列可能是始于该切除区的内侧部分并且结束于其外侧边缘，俾使碎屑会被引导远离该等激光路径，以便提高生产量并且在该工作件中产生高质量的开口。本发明专利技术还可以从该工作件中切除高质量的结构。该方法包含将一高速的气流引导至该激光射束与该工作件之间的接口，用以重新引导碎屑的流动并且冷却该接口。该方法可能还包含在激光射束让该切口加深时调整该激光射束的焦点深度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请案和激光加工有关，且更明确地说，本专利技术是关于一种用于在激光加工烧 结陶瓷和其它坚硬和/或厚材料时改良生产量与质量的方法。背景资讯一般来说，烧结陶瓷和其它坚硬和/或厚材料可能会利用激光来进行加工。也可 能会使用到其它的加工制程，例如研磨或化学蚀刻。不过，研磨和其它机械性制程仅能提供 有限的加工分辨率。进一步言之，在加工制程期间会使用到坚硬和有磨蚀作用的材料，例如 烧结陶瓷削磨机械组件。除了陶瓷之外，其它的坚硬材料可能包含，但是并不受限于单晶硅、多晶硅、金 属、玻璃、蓝宝石、以及锆。当加工此等材料时(包含烧结陶瓷在内)，通常会希望提高生产量与质量。陶瓷通常会在生坯状态(green state)或烧结状态(fired state)中进行处理。 在生坯状态中，于陶瓷进行加热或烘烤之前，其会相当柔软并且容易进行处理。不过，烧结 该陶瓷的过程却可能会改变或扭曲在生坯陶瓷中经过初期加工的特征元素的维度。因此， 当终端产品希望有精确维度与几何形状时，于进行烧结之前对生坯陶瓷处理可能不能提供 足够的质量。然而，烧结陶瓷的坚硬度实质上却大于生坯陶瓷并且会比较难以进行加工。因 此，相较于生坯陶瓷，加工烧结陶瓷的生产量通常会比较低。当使用激光来加工烧结陶瓷时，可能会使用到较高的激光功率以进行较快速的处 理。不过，高激光功率却可能会造成质量低劣的最终产品。已知的激光技术可能会产生过 多的热量与碎屑，举例来说，其可能会导致边缘不平整并造成热破坏。当材料厚度及激光焦点深度增加时，通常会更难达到所希的生产量与质量。激光 加工制程所造成的碎屑通常会限制了生产量与质量。举例来说，习知的激光切割轮廓可能 会受到激光射出材料的沟槽回填的影响。当材料厚度增加时，回填便会变得更加严重并且 会降低加工效率。进一步言之，于众多制程条件下，对某些材料来说，被射出的回填材料在 后续的制程作业中可能会比原来的目标材料更难以移除。因此，会造成低质量的切割，其可 能会破坏材料并且需要进行额外的清理。虽然可以降低激光功率来改良质量；不过，使用较低的激光功率却可能会造成生 产量下降。揭示摘要本文所揭示的实施例在激光加工烧结陶瓷和其它坚硬和/或厚材料时会改良生 产量与质量。于其中一实施例中，本专利技术提供的一种用以激光加工烧结陶瓷或其它坚硬材 料的方法包含利用一激光射束沿着一工作件的切除区内的一平行激光路径序列来削切该 工作件。该削切作用会在该切除区中产生一切口，该切口会随着该激光射束从第一激光路 径前进至该序列中的第二激光路径而增宽。该方法还包含将一高速的气流引导至该激光射 束与该工作件之间的接口。该气流会引导碎屑(其是由该激光射束与该工作件的相互作用 而产生的)远离该平行激光路径序列中尚未经过处理的部分。该方法可能还包含设定该激光射束的第一焦点深度；引导该激光射束第一次通 过该等平行激光路径中的一或多条路径，用以移除该工作件中对应于该第一焦点深度的第 一部分；设定该激光射束的第二焦点深度；以及引导该激光射束第二次通过该等一或多条 平行激光路径，用以移除该工作件中对应于该第二焦点深度的第二部分。于特定的实施例中，该序列是始于该切除区的内侧部分并且结束于该切除区的外 侧边缘。因此，沿着该平行激光路径序列来削切该工作件会在从该切除区之内侧部分下斜 至该切除区之外侧边缘的切口内切割出一连串的平行梯阶。该方法可能还包含利用该激光 射束沿着该外侧边缘来切断该工作件以便从该工作件处移除该切除区，俾使引导碎屑远离 该平行激光路径序列会让该外侧边缘实质上会变得平滑并且不会有任何碎屑。于其它实施例中，该序列是始于该切除区的外侧边缘并且朝该切除区的内侧部分 移动。于此等实施例中，利用该激光射束来切断该工作件可能会从该切除区的内侧部分中 移除一结构。引导碎屑远离该平行激光路径序列则会让该结构实质上会变得平滑并且不会 有任何碎屑。该方法可能包含沿着该平行激光路径序列来削切该工作件，用以在从该切除 区的外侧边缘下斜至要从该切除区处被切下的结构的切口内切割出一连串的平行梯阶。于特定的实施例中，将一高速的气流引导至该接口可能包含经由一喷嘴以超音速 来喷吹该气流。举例来说，该喷嘴可能是位于该接口的20毫米内，俾使该气流在抵达该工 作件的该接口时实质上仍处于高速。于某些实施例中，举例来说，该气体可能是空气、氧气、 二氧化碳、氩气、氦气、或是氮气。于其中一实施例中，本专利技术提供的一种用以对烧结陶瓷或其它坚硬材料进行加工 的激光处理系统包含一激光，用以产生一激光射束。该激光射束会被配置成用以沿着一工 作件的切除区内的一平行激光路径序列来削切该工作件。该系统还包含一喷嘴，用以将一 高速的气流引导至该激光射束与该工作件之间的接口。于特定的实施例中，该系统还包含 光学元件，用以在第一次通过该等激光路径中的一或多条路径期间将该激光射束聚焦在第 一焦点深度处并且在第二次通过该等激光路径中的该等一或多条路径期间将该激光射束 聚焦在第二焦点深度处。该喷嘴可能包含一收敛-发散喷嘴，例如拉瓦尔喷嘴，其能够以超 音速来喷吹该气流。于其中一实施例中，本专利技术提供的一种用以对烧结陶瓷或其它坚硬材料进行加工 的激光处理系统包含削切构件，用以沿着一工作件的切除区内的一平行激光路径序列来削 切该工作件；以及引导构件，用以将一高速的气流引导至该激光射束与该工作件之间的接 口。该系统可能还包含聚焦构件，用以在第一次通过该等激光路径中的一或多条路径期间 将该激光射束聚焦在第一焦点深度处并且在第二次通过该等激光路径中的该等一或多条 路径期间将该激光射束聚焦在第二焦点深度处。从下面较佳实施例的详细说明中，参考随附的图式，便会明白本专利技术的额外观点 与优点。图式的简单说明附图说明图1A、1B、以及IC所示的是根据特定实施例用以切割一孔洞贯穿一工作件的复数 条平行激光路径的概略示意图。图2A、2B、2C、2D、2E、2F、以及2G所示的分别是根据其中一实施例当一激光射束依 序加深与增宽一切除区中的切口时，工作件在不同处理阶段中的剖面侧面图。5图3所示的是根据其中一实施例使用依序移向切除区的中心的激光路径来进行 激光处理的工作件的剖面侧面图。图4所示的是根据其中一实施例用以在烧结陶瓷或其它坚硬和/或厚材料中切割 一开口的方法的流程图。图5所示的是根据其中一实施例用以激光加工烧结陶瓷或其它坚硬和/或厚材料 的系统的方块图。图6所示的是根据其中一实施例于一烧结陶瓷材料中所产生的切痕的扫描电子显微影像。最佳实施例的详细说明一般适合根据特定实施例用以激光加工烧结陶瓷或其它坚硬和/或厚材料的方 法包含选择一激光射束路径，用以在激光切进或切断一工作件时让碎屑流出。于其中一实 施例中，一平行激光切割序列是始于一切除区的内侧并且会朝该切除区的外侧边缘移动。 该平行激光切割序列可以让该切除区有更干净且更深的外侧边缘。此外，或者于其它实施例中，该方法包含以高速将空气或其它气体引导至要被该 激光射束处理的工作件上的某一区域。该高速空气或气体会通过让激光聚焦在未经处理的 材料上而非聚焦在碎屑上而得以改良边缘质量并且改良生产量。将高速气体喷吹至该处理 区域之中会移除因激光烧蚀所产生的散乱的碎屑残片。该高速气体还会冷却激光射束相互 作用附近的剩余材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工烧结陶瓷或其它坚硬材料的方法，该方法包括：利用一激光射束沿着一工作件的切除区内的一平行激光路径序列来削切该工作件，其中，该削切作用会在该切除区中产生一切口，该切口会随着该激光射束从第一激光路径前进至该序列中的第二激光路径而增宽，以便产生碎屑的流出部；以及将一高速的气流引导至该激光射束与该工作件之间的接口，其中，该气流会引导碎屑远离该平行激光路径序列，且其中，该碎屑是由该激光射束与该工作件的相互作用而产生的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆士N欧布莱恩，彼得Y皮罗高斯奇，麦可S纳许纳，
申请(专利权)人：伊雷克托科学工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[]