Способ изготовления микро- и наномеханических компонентов, содержащий этап абляции с помощью фемтолазера

Способ изготовления микро- и наномеханических компонентов, содержащий этап абляции с помощью фемтолазера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу изготовления микромеханических и наномеханических деталей.

Настоящее изобретение также относится к деталям, изготовленным в соответствии с этим способом и предназначенным для использования в области производства настенных/наручных часов или вне этой области, например, в области измерительных инструментов, оптических устройств, оптоэлектроники или в других областях, требующих высокой точности обработки, за исключением абляции биологических материалов.

Настоящее изобретение также относится к способам изготовления элементов передачи, таких как приводные ремни, шкивы, зубчатые передачи и т.п., особенно для нужд производства настенных/наручных часов.

Уровень техники

Международная заявка WO 04006026 описывает механизм хода настенных/наручных часов, в котором используются шкивы и приводные ремни как элементы передачи. Механизм хода часов, который обеспечивается зубчатыми передачами или другими типами синхронной или асинхронной передачи, хорошо известен из уровня техники. Однако существует постоянная необходимость миниатюризации компонентов таких механизмов хода.

Изготовление таких различных элементов передачи подвергается строгим ограничениям, связанным с их размерами и материалами, которые необходимо использовать. Требования, которые касаются геометрии и точности, являются строгими. Таким образом, изготовление гибких механических элементов передачи, например, приводных ремней, или механических элементов, гибких или жестких, которые часто имеют малый размер и производятся из неметаллических, полимерных, органических или композитных материалов, вызывает значительные трудности. Размеры элементов часто составляют менее 2 мм, и шаг зубчатого зацепления - менее 2 мм, даже порядка сотых миллиметра.

Квалифицированный специалист в данной области техники сталкивается со следующими проблемами:

- трудности в обработке и управлении процессом обработки,

- слабо контролируемое поведение материалов (физико-химические свойства),

- неподходящее моделирование и последующее воспроизведение сложных, в особенности искривленных, поверхностей,

- трудности при использовании многослойных или композитных материалов,

- трудности при введении определения функциональных форм, например зубчатого зацепления,

- недостаточное увеличение силы тяги или покрытие с низким коэффициентом трения в случае приводных ремней.

Таким образом, предшествующий уровень техники показывает, что существует необходимость создания новых способов производства микро- и наномеханических компонентов, которые позволяют проводить обработку на размерной шкале (с разрешением), изменяющейся от миллиметра (10^-3 м) до нанометра (10^-9 м). Преимущественно, этот способ должен быть адаптирован ко всем материалам без ограничений или, в любом случае, к широким классам материалов. Обработка должна быть основана на геометрическом описании микро- и наномеханических компонентов, которые обрабатываются, например элементов передачи.

Также существует необходимость создания новых частей или элементов, например, новых шкивов и приводных ремней с уменьшенными размерами и различными производственными допусками, которые не могут быть получены с помощью традиционных способов производства, и которые, таким образом, нельзя было представить себе раньше.

Способы обработки деталей с использованием мощного лазера известны из предшествующего уровня техники. Таким образом, использование лазерных диодов на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) или диоксиде углерода (CO₂), которые дают непрерывное излучение или «длинные» импульсы (свыше 500 фемтосекунд), является относительно стандартным при обработке таких материалов, как металлы, также стандартным является и использование эксимерного лазера для полимеров. Эти способы ограничиваются при работе с малыми размерами или с материалами, которые не могут противостоять ударным или тепловым нагрузкам. Действительно, наблюдалось, что теплопередача в веществе на протяжении импульсов или даже непрерывного излучения ограничивает точность зоны абляции. Кроме того, зона абляции обычных лазеров соответствует цилиндрической форме пучка, что ограничивает формы, которые могут обрабатываться. Глубина обработки зависит от мощности пучка и от свойств материала; это трудно контролировать.

Цели изобретения

Способ изобретения основан на обработке элементов малых размеров за счет абляции вещества с помощью импульсных лазеров с ультракороткими импульсами. В частности, изобретение основано на абляции с помощью лазерных импульсов, имеющих длительность менее пятисот фемтосекунд (5·10^-13 сек) и мощность более 10¹² ватт на поверхности взаимодействия пучок/материал. Такие импульсы генерируются конкретными лазерами, называемыми здесь далее фемтолазерами.

Фемтолазеры известны как таковые, и их технология постоянно совершенствуется, поэтому эти устройства являются компактными, многофункциональными и надежными. Многообразие таких лазеров непрерывно увеличивается: на сегодня пучки охватывают весь электромагнитный спектр от рентгеновских лучей до Т-лучей (излучения с частотой порядка тераГерц, за диапазоном инфракрасного излучения), а максимальная мощность достигает нескольких петаватт (нескольких биллионов мегаватт). В особенности, такие устройства используются в физике, химии, биологии, медицине, оптике.

Из-за экстремально короткой длительности импульсов они делают возможным изучение ультрабыстрых явлений, происходящих на микроскопическом и атомном уровне. Кроме того, очень высокие мощности могут быть получены на протяжении короткой длительности импульса, что создает экстремальные условия, часто сравнимые с теми, которые возникают в ядерных реакторах.

Использование импульсного лазера с ультракороткими импульсами для обработки микромеханических элементов дает следующие преимущества:

- точность обработки,

- абляция материала в практически нетепловых (термонейтральных) условиях,

- существует эффект только в фокальной точке «перетяжки пучка», пучок может, особенно в случае прозрачных материалов, проходить через толщину слоя для того, чтобы работать в точке внутри, без изменения по отношению к поверхности или веществу на пути прохождения,

- пучком можно управлять на расстоянии и под всеми углами,

- не существует ограничений по отношению к обрабатываемым материалам,

- возможно достичь большего разрешения, чем ширина лазерного пучка, за счет юстировки лазера таким образом, что только интенсивность центральной части, в которой сконцентрирована наибольшая мощность, оказывается больше, чем абляционный порог материала (регулирующий плотность энергии в фокальной плоскости),

- не требуется усилий при обработке, поскольку затрагивается аспект абляции.

Использование фемтолазеров для абляции вещества как таковое известно и описано в статьях Kautek et al., «Femtosecond pulse laser ablation of metallic, semiconducting, ceramic, and biological materials», SPIE vol.2207, pp.600-511, Apr. 1994 и Liu., X. et al., «Laser Ablation and Micromachining with Electronics, vol.33, №10, pp.1706-1716.

Патент США USRE37585 описывает способ разрушения вещества с помощью импульсного лазерного пучка, характеризуемый отношением порога пробоя потока импульсного излучения (F_th) к ширине лазерного пучка (Т), которое показывает резкий, быстрый и четкий изгиб или, по меньшей мере, четко обнаруживаемый и четкий изгиб, или градиент предварительно заданной величины ширины лазерного пучка.

Согласно первому аспекту изобретения предусматривается способ изготовления микромеханического или наномеханического компонента в виде приводного ремня или микроформы приводного ремня часов, включающий лазерную абляцию указанного приводного ремня или микроформы, указанного приводного ремня, с импульсами длительностью менее 5×10^-13 секунд и с мощностью более 10¹² ватт.

При этом согласно указанному способу лазерной абляцией воздействуют на компонент с, по меньшей мере, одним размером меньшим или равным двум миллиметрам или предпочтительно меньшим, чем 0,5 миллиметра, который определяют как длину сегмента, соединяющего две наиболее удаленные точки компонента вдоль одного и того же направления.

Кроме того, в указанном способе указанный компонент содержит зубцы, глубина которых составляет менее двух миллиметров.

Согласно первому аспекту изобретения в способе перед лазерной абляцией компонента дополнительно включает следующие этапы: описание форм, подлежащих обработке, передачу данных, соответствующих указанному описанию, на программное обеспечение обработки, причем указанное программное обеспечение обработки предпочтительно особо принимает во внимание интерполяции криволинейных поверхностей, определение угла падения пучка и положения обрабатываемого компонента по отношению к лазерному пучку, в соответствии с материалом и глубиной обработки, таким образом, чтобы оптимизировать условия абляции, введение данных в информационный процессор (17) контроля и/или управления перемещением, юстировку лазера с ультракороткими импульсами, имеющими длительность менее 5×10^-13 секунд и мощность более чем 10¹² Ватт, и начало программы обработки.

При этом в указанном способе градиент энергии лазерного пучка определяют с обеспечением интенсивности центральной зоны, сечение которой составляет менее 50% полного сечения пучка, больше, чем абляционный порог материала, и абляцию осуществляют только в фокальной плоскости лазерного пучка, при этом осуществляют этап перемещения указанной фокальной плоскости относительно указанного компонента в направлении, перпендикулярном указанному лазерному пучку.

При этом в указанном способе энергию и длительность импульсов выбирают в зависимости от материала компонента для обеспечения абляции нескольких мкм, предпочтительно менее чем 10 мкм, на импульс, и для лазерного пучка используют дифракционное устройство.

Кроме того, согласно указанному способу описание обрабатываемых форм осуществляют на основе геометрии, определяемой на плане системы автоматизированного проектирования (САПР) в трехмерных координатах, причем обработку шага определяют в соответствии с материалом и глубиной обработки так, чтобы можно было оптимизировать условия абляции, причем фокальную область располагают в зависимости от освещения с помощью оптической головки (15) или оптической головки (15), оборудованной дифракционным устройством.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрен приводной ремень, предназначенный для изготовления часов, имеющий зубцы, расположенные в пространстве в соответствии с шагом менее чем два миллиметра, и/или глубина которых составляет менее двух миллиметров, и выполненный в соответствии со способом по первому аспекту изобретения.

Кроме того, приводной ремень имеет криволинейный зубчатый профиль в виде, по меньшей мере, одной кривой, по меньшей мере, с одним радиусом, большим 10^-9 м и меньшим, чем 5 мм.

Способ настоящего изобретения является особенно преимущественным благодаря использованию импульсов очень короткой длительности и очень высоких мощностей. Эти экстремальные условия позволяют осуществлять точную обработку сильно изменяемых материалов с помощью одного и того же оборудования. Однако мощность и длительность импульсов могут быть адаптированы к материалу или к скорости и точности, которые требуются для обработки части компонента.

Таким образом, изобретение в особенности также базируется на наблюдении, показывающем, что использование экстремально высоких мощностей, намного больших, чем мощности, используемые в традиционных лазерных способах обработки, позволяет получить почти мгновенную взрывную сублимацию зоны, освещаемой лазерным пучком. Несмотря на малый размер этой зоны, обработка является соответственно относительно быстрой. Кроме того, за счет прерывания светового импульса после очень короткого времени, абляция ограничивается непосредственно освещаемой зоной, без затрагивания прилегающих частей. Таким образом, значительные используемые мощности позволяют получать исключительно четкий срез с резкими краями тех частей, которые обрабатываются.

Изобретение также основано на наблюдении, показывающем, что фемтолазер применяется для обработки новых типов компонентов и материалов, в особенности, компонентов малых размеров и высокой точности, в особенности, часовых элементов, для которых использование фемтолазера ранее не предусматривалось. Также изобретение относится к таким элементам, изготавливаемым с помощью фемтолазера, и, таким образом, имеющим размеры, точность и состояния поверхности ранее считавшиеся практически недостижимыми.

Таким образом, способ изобретения делает возможным обработку компонентов, имеющих размер, равный или меньше, чем 2 мм или, предпочтительно, менее одного миллиметра, причем этот размер пересчитывается и определяется как длина сегмента, который соединяет две наиболее удаленные точки компонента элемента вдоль одного и того же направления. Способ также может делать возможным обработку компонентов, имеющих зубцы, глубина которых меньше двух миллиметров или даже меньше, чем 0,5 миллиметра.

Компонент предпочтительно удерживается микроманипулятором, обеспечивающим расположение и ориентацию обрабатываемой поверхности по отношению к ориентации лазерного пучка. Компонент, который обрабатывается, может удерживаться многоосевой системой, управляемой микрометрической или даже нанометрический программой обработки для робота с компенсацией свободного хода или модификацией. Перемещение компонента, малое и очень слабое, в основном может осуществляться намного быстрее и с большей точностью и воспроизводимостью, чем перемещение лазера или связанной с ним оптической системы. Однако также возможно перемещать лазер или отклонять пучок одновременно или даже однозначно.

Таким образом, зона абляции может быть модифицирована за счет перемещения обрабатываемого компонента, по меньшей мере, в одной плоскости (оси Х и Y), за счет вращений в этой плоскости вдоль оси С, и предпочтительно также за счет перемещений вдоль оси Z, перпендикулярной к плоскости, и/или вращений вдоль двух перпендикулярных осей А и В. Как показано, смещения лазера или связанной с ним оптической системы, также могут рассматриваться. Кроме того, фокусное расстояние также может регулироваться в соответствии с направлением, параллельным оси Z.

Смещения регулируются с помощью программы обработки, которая принимает данные, соответствующие описанию формы, которая обрабатывается. Описание дается в математической форме, и программа обработки определяет траектории, по которым должен проходить лазерный пучок, непрерывно или пошагово, для получения этих форм. Изобретение основано на геометрическом описании, использующем новые семейства кривых и принимающем во внимание возможности фемтолазеров создавать абляцию только в точке фокуса, на точном расстоянии от лазера. Условия абляции могут быть оптимизированы в соответствии с материалом и глубиной обработки, которая может быть модифицирована, например, путем определения углов падения лазерного пучка и расположения обрабатываемого элемента по отношению к лазерному пучку.

Преимущественно, способ, кроме того, включает стадии:

- описание формы компонента, который обрабатывается, на основе геометрии, определяемой с помощью 2, 2,5 или предпочтительно 3-х координатного представления в системе автоматизированного проектирования (САПР),

- передача данных, поступающих от САПР к программе обработки, предпочтительно трехмерной, что предпочтительно позволяет делать интерполяции и искривленных поверхностей, которые реализуются,

- определение шага, соответствующего материалу, и глубины обработки, для того, чтобы условия абляции могли быть оптимизированы,

- введение данных в информационный процессор контроля и/или управления перемещением;

- размещение в одном направлении фокальной области за счет освещения с помощью оптической головки, оборудованной или нет дифракционным устройством,

- размещение обрабатываемого компонента на рабочей поверхности,

- удерживание обрабатываемого компонента с помощью крепежных средств,

- настройка лазера с ультракороткими импульсами,

- начало программы обработки и обработка компонента с помощью лазера с ультракороткими импульсами.

В соответствии с преимущественным вариантом реализации способ изобретения реализуется в контролируемой атмосфере для того, чтобы избежать нелинейных явлений, возникающих на уровне границы раздела свет/материал, например, пробоя в воздухе или модификации физико-химических свойств окружающей среды.

Изобретение также относится к компонентам, производимым с помощью способа. Результаты изобретения также получаются на основе наблюдения, показывающего, что обработка на основе абляции с помощью фемтолазера, является подходящей для получения сильно отличающихся компонентов, особенно, компонентов и элементов, имеющих существенно уменьшенные размеры, которые должны изготавливаться с очень высокой точностью, которые не могли быть произведены на основе предшествующего уровня техники или могли быть произведены только со значительными трудностями. Таким образом, изобретение также относится в особенности к элементам передачи, особенно элементам малых размеров для использования в часовых механизмах, изготавливаемым в соответствии с этим способом. Изобретение также основывается на результатах наблюдений, показывающих, что обработка с помощью фемтолазера является особенно подходящей для шкивов и приводных ремней из синтетических или композитных материалов, имеющих очень малые размеры, используемых при изготовлении настенных/наручных часов, или форм, сконструированных для введения или формирования таких приводных ремней и шкивов.

Преимущественно, по меньшей мере, один из размеров компонента, обрабатываемого в соответствии с изобретением, составляет менее двух миллиметров и предпочтительно - менее 0,5 мм. Способ также используется для обработки деталей, которые имеют, по меньшей мере, одну нерегулярную или искривленную поверхность, характеризуемую, помимо всего прочего, по меньшей мере, одним радиусом, расположенным в плоскости кривой, величина которого больше, чем 10^-9 м и меньше, чем 10^-3 м, предпочтительно меньше, чем 10^-5 м.

Краткое описание чертежей

Примеры вариантов реализации изобретения показаны в описании, проиллюстрированном с помощью сопровождающих чертежей, на которых:

фиг.1 - представляет в виде примера устройство для изготовления компонентов в соответствии со способом изобретения, используемым для обработки синхронных/асинхронных элементов передачи;

фиг.2 - представляет синхронный/асинхронный элемент передачи, составленный здесь с помощью так называемого блока параллельно натянутых приводных ремней со шкивами,

фиг.3 - представляет профиль искривленного зубца,

фиг.4 - представляет два примера асинхронных элементов передачи со вспомогательными шкивами, расположенными внутри и соответственно вне элемента передачи,

фиг.5 - представляет вид поперечного сечения многослойного приводного ремня.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Фиг.1 иллюстрирует устройство для изготовления компонента 10, с синхронным или асинхронным элементом передачи для передачи перемещений или мощности, включающее:

рабочую поверхность 11, имеющую в этом примере 6 программируемых осей (А, В, С, X, Y, Z) и удерживающие средства 12 (например, такие системы, как полосы, клей, магниты, вакуум и т.п.). Оси управляются микрометрической программой обработки для робота, реализуемой информационным процессором 17 со средствами для компенсации или модификации свободных движений;

- информационный процессор 13, в особенности имеющий программное обеспечение для трехмерного моделирования, например, обеспечение на основе трехмерных координат для системы САПР,

- лазер 14 с ультракороткими импульсами типа фемтоимпульсов, имеющий оптическую головку 15, позволяющую излучать пучок 16, сконцентрированный в фокальной области (D),

- информационный процессор 17 контроля/управления смещением.

Способ обработки

Информационный процессор 13 может быть составлен, например, из персонального компьютера или рабочей станции и позволяет реализовывать программное обеспечение, что дает возможность создавать и сохранять трехмерную модель обрабатываемого компонента, а затем разрабатывать на основе этой трехмерной модели программу обработки.

Программа обработки включает ряд инструкций для перемещения осей устройства таким образом, чтобы смещать фокальную область фемтолазера в соответствии с трехмерной траекторией, что позволяет обрабатывать компонент. Создание траектории базируется на интерполяциях, и размер шагового перемещения является функцией в особенности требуемой скорости, точности и состояния обрабатываемой поверхности. Программа обработки должна определяться один раз и применяться к обработке множества идентичных компонентов.

Информационный процессор 17 контроля/управления реализует программу обработки и может состоять, например, из ПК с числовым программным управлением или промышленных ПК для управления двигателями или приводными механизмами осей для регулировки перемещений и вращений осей смещения лазера 14, связанной с ним оптической системы и/или обрабатываемого компонента, для того чтобы изменять относительное положение освещаемой области D обрабатываемого компонента 10. Таким образом, информационный процессор 17 адресует инструкции мощному вспомогательному устройству, составленному из вариаторов и электроприводов, которые реализуют перемещения осей в соответствии с требуемой точностью и скоростью.

Комбинация вращений и смещений в соответствии с шестью осями (А, В, С, X, Y, Z) в пространстве делает возможной обработку практически любого компонента (детали) 10, даже сложной.

Способ изготовления компонента 10, например, синхронного/асинхронного элемента передачи в виде приводного микроремня, включает, в особенности, следующие этапы:

- описание форм, которые обрабатываются, например, на основе геометрии, определяемой на плоскости трехмерной САПР с помощью информационного процессора 13,

- передача данных на программное обеспечение трехмерной обработки с учетом, в особенности, интерполяций искривленных поверхностей, при реализации с помощью информационного процессора 13 или с помощью информационного процессора 17,

- определение шага (расстояния смещения зоны абляции между импульсами) в соответствии с материалом и глубиной обработки так, чтобы оптимизировать условия абляции,

- введение данных в информационный процессор 17, который контролирует и регулирует смещения; передача данных между информационными процессорами 13 и 17 может происходить с помощью сети, например, типа локальной сети или Интернета, или через магнитные, оптические или электронные устройства информационного обеспечения,

- ориентация в направлении Z фокальной области D путем освещения с помощью оптической головки 15, оборудованной или нет дифракционным устройством,

- расположение и вращение в плоскости Е (определяемой осями Х и Y) обрабатываемого компонента,

- закрепление обрабатываемого компонента 10 с помощью крепежного средства 12 для размещения и удержания компонента,

- юстировка фемтолазера с ультракороткими импульсами, длительность которых зависит от материала, но предпочтительно составляет менее 500 фс (5×10^-13 с), и интенсивность зависит от материала,

- начало программы обработки и обработка компонента 10 с помощью фемтолазера; программа обработки требует, чтобы последовательность лазерных импульсов генерировалась вдоль непрерывной или прерывистой траектории, проходящей по освещаемой зоне так, чтобы происходила абляция освещаемых зон; траектория в зоне абляции и, таким образом, формы, которые обрабатываются, описываются на основе геометрии, определяемой на плоскости трехмерной САПР; шаг по времени определяется в соответствии с материалом и глубиной обработки для оптимизирования условий абляции.

Сравнительные тесты показывают, что факт прохождения импульсов длительностью от 100 до 10 фс значительно улучшает точность обработки. Потоки, используемые в микрообработке, традиционно изменяются от 0,2 до 50 Дж/см² в соответствии с искомым качеством обработки и скоростью, предпочтительно, менее чем 10 мкм на импульс, и обычно, по меньшей мере, от 0,5 до 0,25 мкм на импульс, в соответствии с обрабатываемыми материалами. Точность абляции четко улучшается по сравнению с традиционным лазером типа пикосекундного или эксимерного лазера.

Лазер с ультракороткими импульсами не рассеивает тепло вне освещаемого объема, независимо от обрабатываемого материала. Бестепловая (термонейтральная) природа способа реализуется благодаря короткой длительности импульсов в сочетании с очень высокой интенсивностью порядка 10¹⁴ Вт/см² на уровне фокальной плоскости пучка. Текущая тенденция в этой области ориентирует приборы на использование импульсов 100 фс (1,0×10^-13 с) для энергии порядка МДж на импульс.

Физически, электроны подвергаются нагреванию благодаря явлению инверсного тормозного излучения. Испускаемые электроны передают свою энергию другим электронам атомной цепочки за счет ударов и вызывают лавинную ионизацию, которая приводит к выбросу вещества. Передача энергии электронов атомной цепочке обрабатываемого материала происходит в промежуток времени, который приблизительно в 1000 раз менее короткий, чем длительность импульса. Таким образом, абляция вещества происходит перед любой термодиффузией, которая может возникать вне зоны освещения.

Градиент энергии лазерного пучка, таким образом, предпочтительно определяется так, что только интенсивность центральной зоны, сечение которой составляет менее 50% полного сечения пучка, больше, чем абляционный порог материала. Разрешение обработки, таким образом, ниже, чем максимальный диаметр пучка.

В одном варианте реализации изобретения используются два полностью синхронизованных и непараллельных пучка фемтолазера. Интенсивность каждого лазера меньше, чем абляционный порог материала, который обрабатывается только в точке пересечения пучков обоих лазеров. Таким образом, возможно обрабатывать полые компоненты.

Интенсивность импульсов или их длительность может быть предпочтительно подобрана помощью управляющих средств информационного процессора 17, в соответствии с материалом, который обрабатывается и требованиями, касающимися точности и скорости. Таким образом, возможно модифицировать эти параметры в ходе цикла обработки одного и того же компонента.

В общем, относительное смещение лазерного пучка и компонента, которая обрабатывается, основано на пространственном управлении держателем детали. Можно отметить в способе согласно изобретению, что в частных случаях пучок можно отклонять, независимо от смещения компонента для осуществления абляции, на выходе оптической головки, с помощью различных зеркальных оптических систем, сканера, телескопа и т.п. Смещение лазера также возможно осуществлять, но риск его инерции делает эти смещения более медленными для стабилизации по сравнению со смещениями компонента.

Большинство форм, обрабатываемых на элементах, приводящих в действие элементы 10 передачи или любые другие микро- и нанокомпоненты, может обрабатываться в одной плоскости. Как в случае обработки более сложных поверхностей, таких, как сложные зубчатые поверхности (не представлены), возможно перемещать точку попадания лазерного пучка 16 одновременно соответственно по трем осям, или даже по четырем осям с плоскостью вращения 11 и поворотной оптической головкой 15.

Скорость смещения компонента определяется на основе компромисса в соответствии с требуемой скоростью изготовления, требуемой точностью или разрешением и искомым состоянием поверхности. Таким образом, множество компонентов будет обработано за счет серии смещений при различной скорости.

Для предотвращения нелинейных явлений, появляющихся из-за наличия границы раздела излучение/материал, обработка может производиться в вакууме или при наличии нейтрального газа (гелий, аргон и т.д.). Обработка в управляемой атмосфере дает возможность избежать нелинейных эффектов, возникающих на границе раздела излучение-материал, например таких, как пробой воздуха на уровне фокальной плоскости и, как следствие, проявление влияния нестабильности на качество обработки. В случае конкретного использования, для улучшения абляционной энергетической эффективности, будет возможно улучшить оптическую точность за счет принятия дифракционной системы или оптического вспомогательного устройства, смонтированного для дополнения устройства фокусировки.

Геометрическое представление обрабатываемых компонентов; смещение освещаемой зоны

Наиболее доступными на сегодняшний день перемещениями, которые могут быть реализованы за счет освещаемой зоны компонента, являются следующие:

a) быстрое позиционирование, которое заставляет подвижные элементы достигать программируемой точки за счет прохождения линейной траектории с максимальной возможной скоростью для устройства обработки,

b) линейная интерполяция, которая позволяет достигать программируемую точку путем прохождения линейной траектории с нарастающей скоростью, заданной программистом,

c) круговая интерполяция, функция которой должна описывать полные окружности или дуги окружности на основании определенных характеристических геометрических элементов, которые их определяют, например, таких как координаты центра и координаты экстремумов,

d) винтовая интерполяция, которая совмещает круговое перемещение в одной плоскости с параллельным перемещением, перпендикулярным этой плоскости,

e) коническая интерполяция в плоскости, где каждый параболический сегмент геометрически определен с помощью группы из 3 точек, причем последняя точка сегмента является первой точкой следующего сегмента,

f) полиномиальная интерполяция, которая позволяет определять траектории из полиномиальных степеней и которая используется для подбора сплайновых кривых.

В случае изготовления микроэлементов передачи, например, приводных ремней, большинство форм может быть обработано в одной плоскости. Из-за этого обращаются к технологии обработки в 2-х или 2,5 координатном представлении. Следующие операции обработки могут реализовываться с помощью способа изобретения и устройства:

a) контурная обработка (тип обработки, когда инструмент остается на постоянной глубине, пока он описывает на плоскости ряд прямых и кривых),

b) сверление и связанные с ним операции,

c) обработка отрицательных объемов.

В случае обработки более сложных поверхностей, таких как зубчатые или искривленные поверхности, лазерный пучок будет перемещаться одновременно с вращающейся пластиной и способной поворачиваться оптической головкой вдоль трех или даже более осей. Поворот оптической головки вдоль двух осей (поворотная головка) на поворотной пластине также возможен. Окончательно, также возможно смещать фокусное расстояние параллельно оси Z.

Способ обработки изобретения обладает особым преимуществом благодаря тому факту, что он позволяет не ограничивать геометрию сегментами прямых (простая интерполяция) или окружностей. Кроме того, обычным, особенно при традиционной методике обработки, используемой при изготовлении настенных/наручных часов, является столкновение с чертежами или соединениями, определяемыми более или менее неопределенно или даже не выраженными явным образом (геометрия, происходящая из пересечения двух поверхностей, установленных формой инструментов). Очевидно, эти традиционные способы не являются подходящими для сложных с точки зрения обработки и, особенно, искривленных поверхностей, и более широко, для всех операций, где требуется точный контроль пересечений (округлений) поверхности.

Для того чтобы иметь возможность обработки за счет абляции вещества, во всех возможных случаях формы поверхностей, которые обрабатываются, могут определяться с помощью математических принципов, использующих геометрию и алгоритмы (графы, алгоритмическую геометрию, вероятностные алгоритмы).

Традиционно, геометрическое представление сложных поверхностей, генерированных за счет метода абляции вещества с помощью лазера с ультракороткими импульсами, требует определения специальных кривых, называемых кривыми свободной формы. Более современным способом представления является способ, использующий кривые Безье. Также они встречаются под именем В-сплайн кривых.

Для более сложных форм и особенно для тех, которые попадают под определение криволинейных профилей, для которых являются необходимыми конические кривые (дуги окружностей, эллипсы, парабола и т.п.), используются рациональные кривые, где коническое представление реализуется с помощью полиномиальных коэффициентов, а не с помощью интегрального полиномиального параметрического уравнения. Для определения поверхностей, которые обрабатываются, могут быть использованы наиболее общие рациональные кривые, а именно рациональные кривые Безье, определяемые полиномами, где одна поверхность разлагается на простые элементы, называемые единичными элементами, каждый из которых определяется точками, называемыми полюсами, или сплайн-и совокупность неравномерных рациональных В-сплайн кривых (NURBS), определяемых рядом точек, формирующих поверхностные элементы в сети.

Эти семейства кривых можно описать более точно:

- кривые Безье: параметрические кривые, особо привлекающие следующие понятия: полиномы Бернштейна, алгоритм оценки Де Кастела, подразделение, степенное увеличение, дифференцирование, геометрические свойства (аффинная инвариантность, выпуклая оболочка, вариационное приведение);

- В-сплайн функции: определяемые как базис P(k, t, r), многообразие узлов. С^к класс соединения, локальная и минимальная опора,

- В-сплайн-кривые в форме параметрических В-сплайн кривых, привлекающие понятия контрольных полигонов, алгоритмов оценки де Бура, и имеющие особые геометрические свойства, такие, например, как аффинная инвариантность, локальный контроль, выпуклая поверхность, множество узлов на краях, вставку узлов,

- геометрические сплайновые кривые, которые связаны с понятием геометрической непрерывности, геометрических инвариантов, так же, как и с известными формами рамок Френе, η-сплайнов, τ-сплайнов.

Способ обработки за счет абляции вещества с помощью лазера с ультракороткими импульсами, отличающийся от других способов обработки тем, что он использует неявные, зависящие от требуемой точности обработки или сложности, алгоритмы данных, основанные на следующих математических принципах, при этом данный список не является исчерпывающим:

- кривизна, закручивание, рамки Френе, теорема Джордано, изопериметрические неравенства, фокальные оболочки или кривые,

- поверхности и гиперповерхности как две фундаментальные формы поверхности и, в особенности, кривых, формула Гаусса-Бонне, внутренняя геометрия, параллельный перенос, геодезия,

- теория Морзе для связывания многообразия гомотопического типа в критические точки родовой функции, имеющей определенные хорошие свойства, включая демонстрацию формулы Гаусса-Бонне, а также Хессиана, критические точки и лемма Морзе,

- функции, определяемые на поверхности, такие как функции высоты и расстояния,

- векторные поля и диаграмма Морзе, методики, в особенности используемые в теориях реконструкции,

- комбинаторные и алгебраические топологические элементы, и, в особенности, - триангуляция, симплициальные комплексы, характеристики Эйлера-Пуанкаре, переменные, теорема классификации поверхностей,

- элементы дифференциальной геометрии: поверхностная геометрия в R³: приложение Гаусса, принципиальная кривизна и направления, классификация то