ES2328815T3

ES2328815T3 - Metodo y dispositivo para la produccion de una matriz.

Info

Publication number: ES2328815T3
Application number: ES04739400T
Authority: ES
Inventors: Peter Hildebrand; Martin Reisacher; Michael Kuhl; Gottfried Reinicke
Original assignee: Sauer GmbH and Co KG
Current assignee: Sauer GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: KR20060013564A; WO2004105996A1; US20070181542A1; CN100584511C; KR101095782B1; JP5037132B2; DE10324439B4; US8558136B2; JP2007500081A; DE502004009789D1; CN1795072A; DE10324439A1; EP1626835B1; EP1626835A1

Abstract

Método para la producción de una matriz en una pieza a trabajar, en el que se conduce un rayo láser para la formación de la matriz por un sistema de focalización del haz sobre el área de la pieza a trabajar, en el que la producción de matriz se realiza por retirada por capas, caracterizado por que la posición focal del rayo láser se controla de tal manera, que es variable al menos temporalmente en dirección de profundidad de la matriz y la retirada se realiza al menos parcialmente en capas no planas.

Description

Método y dispositivo para la producción de una matriz.

La invención se refiere a un método y un dispositivo para la producción de una matriz de acuerdo con los preámbulos de las reivindicaciones independientes. Un método de este tipo y un dispositivo de este tipo se conocen a partir del documento WO 00/18535.

Se pueden producir matrices filigranas mediante rayos láser. La Figura 1 muestra para esto un dispositivo conocido. El 1 es una fuente de luz láser, el 2, un conmutador (óptico o eléctrico), el 3, un control de foco, el 4, un sistema de focalización del haz, el 5, una pieza a trabajar, el 6, una matriz, el 7, un control, el 8, un sensor (sensor de profundidad, de resolución local), el 9, una mesa portapiezas, el 10, un rayo láser y el 11, el ajuste del eje z de la mesa de trabajo. El plano del dibujo se considera el plano x-z, como se muestra esquemáticamente. El eje y se sitúa perpendicularmente con respecto al plano del dibujo.

En el láser 1 se genera un rayo láser 10. El 2 simboliza un pulsador de encendido/apagado, que puede estar configurado como conmutador de Q (Q-Switch), así como un control de intensidad. Después llega luz láser modulada y, en un caso dado, controlada por nivel, al control de foco 3, que puede ajustar la posición focal en dirección z. Después, la luz láser pasa por un sistema de focalización del haz 4 que, a modo de ejemplo, puede estar formado por espejos situados en ángulo recto entre sí. Los espejos se pueden girar en determinados intervalos angulares y de esta forma pueden provocar que se controle el punto de incidencia del rayo láser 10 sobre la pieza a trabajar 6 en el plano x-y.

La retirada de material se realiza por licuación o evaporación del material en la superficie de la materia prima. Para esto, el foco del rayo láser se sitúa en la superficie de la pieza a trabajar, de manera que en ese lugar existe una alta aportación de potencia por unidad de superficie, de manera que se funde y evapora el material y se elimina de esta forma. El rayo láser se conduce sobre todo el área de la superficie expuesta de acuerdo con datos de matriz para la matriz a producir. Con el 6 se indica la matriz (parcial) ya fabricada. El 6a simboliza la superficie externa de la matriz terminada deseada. La retirada se realiza por capas. Cuando se ha retirado una capa, la mesa portapiezas 9 junto con la pieza a trabajar 5 se eleva la altura correspondiente a una capa, de manera que después se puede retirar la siguiente capa.

El equipo de ajuste de foco 3 sirve para la compensación del casquete no plano, por regla general esférico, sobre el que el foco del rayo láser se desplaza durante la desviación en dirección x e y, lo que se explica con más detalle con referencia a la Figura 3.

El control 7 controla los componentes individuales (láser 1, conmutador y control de intensidad 2, equipo de ajuste de foco 3, sistema de focalización del haz 4, eje z 11). Éste determina los datos a aportar con referencia a los datos de matriz 12, en cuyo caso se puede tratar, a modo de ejemplo, de datos de CAD y, en un caso dado, también a parámetros adicionales.

La Figura 2 muestra el equipo de ajuste de foco 3 de manera ligeramente más extensa. El rayo láser 10 pasa, procedente del láser 1 o conmutador 2, en primer lugar por una lente divergente 21 y después, por una o varias lentes convergentes 22, 23. La lente divergente 21 se puede desplazar en dirección z por un equipo de ajuste 24. De este modo se producen diferentes trayectorias de rayos, que conducen a que finalmente también se produce un desplazamiento de la posición focal en dirección z correspondiente al desplazamiento de la lente divergente 21. Se indican esquemáticamente dos trayectorias de rayos, es decir, una con líneas continuas y una con líneas discontinuas. Las posiciones de lente se denominan respectivamente P1 y P2. De forma correspondiente con las diferentes posiciones P1 y P2 se producen diferentes posiciones focales f1 y f2. Se denominan 20-1 y 20-2 y divergen entre sí en \Deltaz. El máximo \Deltaz posible se denomina carrera.

La Figura 3 muestra un método habitual de fabricación de matriz y la aplicación habitual del equipo de ajuste de foco. En la Figura 3 y en general en esta descripción, las mismas referencias indican componentes iguales. El 6 simboliza la matriz ya parcialmente fabricada. Los 31a, b y c simbolizan las capas a retirar sucesivamente. El rayo láser 10 se conduce en el ejemplo mostrado a lo largo de la dirección de flecha 30 a lo largo de un recorrido determinado sobre la superficie. En el punto de incidencia se licua o evapora el material y se elimina de esta manera. Con el 32 se indica la superficie externa de la pieza de matriz a producir en el futuro. El 33 indica la superficie ya expuesta. Ya que el láser se conduce por espejos giratorios en dirección x e y, su punto focal 20 no se mueve en el espacio en un plano, sino en un casquete 34 abombado en general de manera esférica. Sin más, esto conduciría a que durante la conducción sobre el área, el rayo láser se situara en todo caso por zonas con su foco 20 en la capa a retirar. En otras zonas incidiría una parte intrafocal o una extrafocal del rayo láser sobre la superficie del material, entonces, la densidad de energía no sería suficientemente elevada, el material no se evaporaría o solamente mal y, como consecuencia, la potencia de retirada diminuiría o se convertiría intensamente en irregular.

Para compensar este efecto se usa el equipo de ajuste de foco en métodos de retirada o dispositivos de retirada conocidos. Finalmente corrige la diferencia de la posición focal entre el casquete 34 que se ajusta sin más y la posición deseada en el plano, como se simboliza por la recta 35. El equipo de ajuste de foco cambia, por lo tanto, la posición focal en dirección z dependiendo de la posición x e y respectivamente momentánea del rayo láser, para ajustar el foco al plano 35 de modo correspondiente con la capa momentáneamente retirada 31a.

En cuanto se haya retirado una capa completamente, se traslada el eje z mecánicamente el espesor de una capa. En la Figura 1, esto puede realizarse, a modo de ejemplo, por la elevación de la mesa portapiezas 9 por el miembro de ajuste 11. Con este ajuste se retira después de la misma manera la siguiente capa (31b). Una desventaja de este método es que el traslado de la matriz en dirección z requiere tiempo. Esto repercute particularmente en matrices pequeñas, donde el tiempo de ajuste en dirección z es comparativamente prolongado en comparación con el tiempo de mecanización para la retirada de una capa.

La Figura 3 muestra una desventaja adicional de la retirada por capas conocida: Con el 32 se simboliza la superficie externa deseada (teórica) de la matriz a producir en último término. Debido a la retirada por capas, sin embargo, en realidad se produce un desarrollo no ideal, sino real, como se muestra con 33: la pared tiene un recorrido escalonado debido a la retirada por capas, en el que la altura de escalón se corresponde al grosor de capa. De acuerdo con la calidad deseada de la superficie externa de la matriz, esto puede percibirse como desventaja más o menos grave.

El documento US 2003/0006220 A1 describe un método para la fabricación de una abertura en un sustrato duro, no metálico. Se proporciona al menos una disposición de láser, que puede generar un rayo láser, cuyo foco es móvil.

Es objetivo de la invención indicar un método y un dispositivo para la producción de una matriz, que permitan, con retirada de material por capas, la formación variable de matriz y también buenos acabados superficiales durante la formación de la matriz.

Este objetivo se resuelve con las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas de la invención.

En un método para la producción de una matriz en una pieza a trabajar se conduce un rayo láser por un sistema de focalización del haz sobre el área de la pieza a trabajar, donde pasa por un control de foco que controla la posición focal del rayo láser de tal manera, que al menos temporalmente es variable en dirección de la profundidad de la matriz. La retirada es por capas y sobre todo el área. Una capa es desigual.

A continuación se describen con referencia a los dibujos realizaciones individuales de la invención. Se muestra:

En la Figura 1, esquemáticamente la estructura de un dispositivo para la producción de una matriz,

En la Figura 2, la trayectoria de los rayos, particularmente en un equipo de ajuste de foco,

En la Figura 3, un método conocido,

En la Figura 4, un croquis para la explicación de un método no acuerdo con la invención,

En la Figura 5, un croquis para la explicación de un primer método de acuerdo con la invención,

En la Figura 6, un croquis para la explicación de un método adicional de acuerdo con la invención,

En la Figura 7, un croquis para la explicación de un método adicional de acuerdo con la invención y

En la Figura 8, un croquis para la explicación de un método adicional de acuerdo con la invención.

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El método de acuerdo con la invención se puede realizar por la configuración adecuada del control 7 en la Figura 1 o por un control adecuado del equipo de ajuste de foco 3 en las Figuras 1 y 2. En la Figura 4 se muestra esquemáticamente un "plano de capas" para una matriz a producir. La producción de matriz se realiza por retirada por capas en capas planas, de tal manera que el "plano de capas" de acuerdo con la Figura 4 no contiene todas las características de la invención.

El 40 simboliza la superficie externa de la matriz deseada en último término. El 41 es una de las capas que se tienen que retirar y debajo hay capas adicionales 42, 43, .... Se trabaja, por tanto, en definitiva en la dirección de flecha 44 por retirada por capas. La aproximación a una capa siguiente después de la retirada de una capa se puede realizar por modificación de la posición focal por el equipo de ajuste de foco 3 (provocado por el control 7). Después de la retirada de una capa se traslada, por tanto, el foco en su totalidad en \Deltaz hacia abajo en la Figura 4, controlando el equipo de ajuste de foco 3 adecuadamente, y después se retira la siguiente capa. Durante esta retirada, entonces, se puede realizar de nuevo de manera conocida una compensación de posición focal en dirección z, como se ha descrito con referencia a la Figura 3. El traslado de la posición focal a las capas individuales 41, 42, 43, ... se puede realizar tantas veces como lo permita la carrera disponible del equipo de ajuste de foco 3. Una parte determinada de la carrera se necesita, en un caso dado, para la compensación de posición focal como se describe en la Figura 3. La parte por lo demás disponible de la carrera se puede usar para el control de las capas individuales. Cuando entonces se haya conseguido en conjunto la máxima carrera posible, se puede realizar, después de varias capas, un traslado mecánico a lo largo del eje z (miembro de ajuste 11 en la Figura 1). Después, se pueden realizar de nuevo varios traslados hacia varias capas por el ajuste de la posición focal en \Deltaz.

Por tanto, globalmente se pueden realizar de forma alterna un traslado mecánico y uno o varios traslados por ajuste de la posición focal. A modo de ejemplo, se pueden controlar (si la carrera disponible del equipo de ajuste de foco 3 lo permite) 20 capas sucesivamente por traslado correspondiente de la posición focal. Después se efectúa un traslado mecánico a lo largo de la dirección z en el espesor de 21 capas y después se pueden controlar de nuevo varias capas, por ejemplo, 20, por ajuste de la posición focal.

Ya que el ajuste de la posición focal es considerablemente más rápido que el traslado mecánico a lo largo del eje z (donde en el último el tiempo de traslación no es la magnitud esencial, sino el inicializado de las etapas de control necesarias y a continuación la conmutación repetida hacia el control de retirada), por tanto, en conjunto, se puede ahorrar tiempo.

La Figura 5 muestra una manera de proceder de acuerdo con la invención. La retirada ya no se realiza en capas planas, sino en capas desiguales 51, 52, 53, .... Se trabaja de capa a capa a lo largo de la dirección de la flecha 54. Las capas se pueden diseñar, como se ha mostrado, siguiendo o de forma similar a la superficie externa 40 de la matriz a producir en último término, a modo de ejemplo, si para esto tienen una separación predefinida que se modifica de capa a capa, pero constante dentro de una capa (son "paralelas a la superficie externa"), que, por tanto, disminuye en la aproximación de la superficie externa 40 de capa a capa. Estas capas individuales se calculan a partir de los datos de matriz 12 en el control 7 y después se aportan, por un lado, por el sistema de focalización del haz 4 y, por otro lado, por el control de foco continuo 3. El sistema de focalización del haz 4 provoca el control del rayo láser en dirección x e y, mientras que el equipo de ajuste de foco 3 controla la posición focal en dirección z de tal manera, que tiene una posición definida con respecto a la capa recién retirada, a modo de ejemplo, se sitúa en la misma.

En este contexto se señala que la modificación de la posición focal en dirección z también puede provocar una influencia en la coordenada x e y del punto de incidencia del foco, es decir, cuando el rayo láser no incide de forma paralela con respecto al eje z sobre la superficie de la matriz. Esto se tiene en cuenta por el control o durante la determinación de los datos de control de manera adecuada.

El ajuste de la posición focal se puede concebir teóricamente compuesto por dos componentes superpuestos, a saber, por un lado, por el control de acuerdo con la forma deseada de la capa a retirar y, por otro lado, el control para la compensación de casquete como se ha descrito con referencia a la Figura 3. Desde el punto de vista del cálculo se pueden determinar estos componentes de forma separada o conjunta.

Las capas individuales pueden tener, en comparación entre sí, grosores constantes o diferentes. Particularmente, las capas próximas a la superficie externa pueden ser más delgadas que capas alejadas de la superficie externa. También una capa individual puede tener, pero no necesariamente, un grosor constante.

La Figura 6 muestra una realización, en la que una retirada por capas se realiza de tal manera que en último término (en la superficie externa 40) también se fabrican de nuevo capas "paralelas con respecto a la superficie externa" 65. En general se trata de las capas 61, 62, 63, que se retiran sucesivamente a lo largo de la dirección de la flecha 64 y que tienen grosores de capa respectivamente variables como tales, particularmente de tal forma, que el grosor de capa en los bordes 66 de la matriz es menor que en el centro 67 de la matriz.

La Figura 7 muestra una realización, en la que se aportan mezclados diferentes métodos de retirada. Cuando se aproxima la matriz a la superficie externa 40 de la matriz a producir en último término se puede realizar la retirada de material para la formación de matriz con capas paralelas con respecto a la superficie externa 55, para obtener de esta manera una superficie externa lisa 40. Entonces, una superficie externa de este tipo no presenta el escalonamiento mostrado en la Figura 3 con la referencia 33. A modo de ejemplo, sin embargo, anteriormente se puede seleccionar un método de retirada más rápido, más general, a modo de ejemplo, uno como se ha descrito con referencia a la Figura 4 o la Figura 6. La Figura 7 muestra finalmente una forma mixta de la Figura 4 y la Figura 6. En un principio se trabaja de acuerdo con el método en la Figura 4. En este caso se pueden retirar capas relativamente gruesas (por ejemplo, 3-20 \mum), donde la retirada no se realiza hasta la respectiva superficie externa realmente accesible de la matriz terminada tampoco en las capas individuales, sino que se detiene antes ("más hacia el interior" de la matriz). Esto se simboliza por las capas individuales 41, 42, 43, ... a lo largo de la dirección de la flecha 44 (dirección de trabajo). Este procedimiento se puede interrumpir dentro de cualquier capa o, en general, con una separación determinada con respecto a la superficie externa 40 de la matriz terminada y después se puede proceder a la mecanización paralela con respecto a la superficie externa, como se ha descrito anteriormente, con capas relativamente delgadas (1-3 \mum).

De esta manera se combina la ventaja de la retirada rápida en capas gruesas con la de la fabricación exacta de la superficie externa por capas paralelas con respecto a la superficie externa al final de la fabricación de la matriz, que pueden ser relativamente delgadas al menos más hacia el exterior. En lugar de capas planas, paralelas en la Figura 4 o incluso en la primera sección de la Figura 7, también se pueden aportar capas que se sitúan en el casquete del foco del control de foco. Entonces, no son necesarios el control permanente del foco y la complejidad correspondiente de cálculo y de control.

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La Figura 8 muestra una realización, en la que varias o todas las capas a retirar se determinan también de acuerdo con la carrera disponible del ajuste de foco. En el caso de matrices profundas puede ocurrir que la carrera disponible del ajuste de foco no sea suficiente para trasladarse completamente por la superficie externa 40 de la matriz en dirección z. Entonces, la matriz se divide de forma lógica en secciones individuales 86, 87 y, de forma correspondiente, en secciones de fabricación 84, 85, que se pueden considerar en sí mismas matrices parciales y que pueden aproximarse completamente dentro de la carrera disponible del control de foco. Respectivamente dentro del segmento correspondiente 86, 87 se puede proceder entonces de nuevo como se ha descrito con referencia a las Figuras 5 a 7. La Figura 8 muestra una realización, en la que las "matrices parciales" individuales 86, 87 se mecanizan respectivamente como se ha descrito en la Figura 5. Las matrices parciales se definen de tal manera, que se pueden fabricar respectivamente dentro de una carrera del equipo de ajuste de foco 3, donde, en un caso dado, se puede tener en cuenta la parte de la carrera necesaria para la compensación del casquete, particularmente de tal manera, que no está disponible para la formación de la matriz en dirección de profundidad. Este procedimiento tiene la ventaja de que pueden aparecer discontinuidades solamente en los "puntos de unión" 88 de las matrices parciales en la superficie externa 40, ya que por lo demás se puede trabajar de nuevo de forma paralela con respecto a la superficie externa. En lugar de la mecanización de las matrices parciales 86 y 87 de modo correspondiente a la Figura 5 también se pueden realizar mecanizaciones correspondientes a la Figura 6 o la Figura 7 de estas matrices parciales.

El sensor de profundidad 8 preferiblemente es un sensor de profundidad de resolución local. Puede determinar la respectiva profundidad, dimensión en dirección z para posiciones x-y individuales. Preferiblemente, esto tiene lugar en tiempo real, a modo de ejemplo, por evaluación adecuada de la emisión de proceso en el punto de trabajo respectivamente momentáneo del rayo láser. De este modo se produce un "mapa" que indica, dependiendo de las respectivas coordenadas x e y, la respectiva profundidad de matriz. También con referencia a estos datos de medición se pueden realizar ajustes incluso del control de foco.

Generalmente, se puede realizar el control del espesor de la retirada momentánea mediante control de la potencia de láser o de forma general de parámetros de láser (potencia, modulación, velocidad de conducción,...). Este control de la potencia de retirada puede ser localmente variable, particularmente dependiendo de las coordenadas x e y momentáneas.

Claims

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1. Método para la producción de una matriz en una pieza a trabajar, en el que se conduce un rayo láser para la formación de la matriz por un sistema de focalización del haz sobre el área de la pieza a trabajar, en el que la producción de matriz se realiza por retirada por capas,

caracterizado por que

la posición focal del rayo láser se controla de tal manera, que es variable al menos temporalmente en dirección de profundidad de la matriz y

la retirada se realiza al menos parcialmente en capas no planas.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la posición focal del rayo láser se controla de tal manera, que tiene una posición definida con respecto a la capa momentáneamente retirada.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que la transición de una capa a una capa siguiente se realiza por control de la posición focal del rayo láser.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que se realiza al menos parcialmente la retirada en capas que siguen o se parecen a la superficie externa de la matriz terminada o que son paralelas con respecto a la superficie externa.
5. Método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la fabricación de la matriz se realiza en una primera sección por retirada de capas, que no alcanzan la superficie externa de la matriz terminada y en una segunda sección, por retirada de capas no planas, que se parecen a la superficie externa de la matriz terminada o siguen la misma o son paralelas con respecto a la superficie externa.
6. Método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la retirada en capas se realiza con grosor no constante.
7. Método de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que el grosor de una capa es menor en su borde que en el centro.
8. Método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las capas individuales también se determinan de acuerdo con la carrera disponible del ajuste de foco.
9. Método de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que las capas se determinan de tal manera que se pueden regular dentro de la carrera del ajuste de foco.
10. Método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la posición focal del rayo láser se controla en dirección de profundidad de la matriz de acuerdo con la potencia de retirada deseada.
11. Método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que al menos parcialmente se determinan y retiran capas de tal manera, que se sitúan sobre el casquete, sobre el que se mueve el foco del rayo láser, cuando se conduce el rayo láser por el sistema de focalización del haz.
12. Dispositivo para la producción de una matriz (6) en una pieza a trabajar (5), particularmente para la realización del método de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes, con

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una fuente de luz láser (1) para la generación de un rayo láser para la retirada de material,

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un equipo de ajuste de foco (3) para el ajuste de la posición focal del rayo láser,

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un sistema de focalización del haz (4) para la conducción del rayo láser (20) sobre la superficie de la pieza a trabajar y

\bullet

un control (7) para el control del equipo de ajuste de foco (3) y del sistema de focalización del haz (4), de manera que la producción de la matriz se realiza mediante retirada por capas,

caracterizado por que

el control está configurado para controlar la posición focal del rayo láser por el equipo de ajuste de foco (3) al menos temporalmente a valores variables en dirección de profundidad de la matriz y controlar de tal manera, que la retirada al menos parcialmente se realiza en capas no planas.
13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por un sensor (8) para la medición de profundidad en la matriz (6), en el que el control está configurado para controlar la potencia de retirada del rayo láser de acuerdo con la salida del sensor.
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