[发明专利]使用降阶模型确定激光雕刻表面

说明书

一种用于生成激光雕刻表面的模型的计算机实施的方法，所述方法包括：将与激光雕刻工艺相关联的第一参数集的第一值集变换为与激光脉冲模型相关联的第二参数集的第二值集；基于所述第二值集修改所述激光脉冲模型以产生经修改的激光脉冲模型；以及执行所述经修改的激光脉冲模型以将多个激光脉冲导向计算机模拟表面，其中所述多个激光脉冲修改所述计算机模拟表面。

背景技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年5月12日提交的序列号为63/023,778的名称为“LASERENGRAVING SIMULATION WITH ACCOMPANYING STRATEGY GENERATION AND OPTIMIZATION”的美国临时专利申请的优先权权益，并且要求2021年5月11日提交的序列号为17/317,149的名称为“DETERMINING A LASER-ENGRAVED SURF ACE USING A REDUCED-ORDER MODEL”的美国专利申请的优先权权益。这些相关申请的主题因此以引用方式并入本文。

技术领域

各种实施方案整体涉及激光雕刻和计算机科学，并且更具体地涉及使用降阶模型确定激光雕刻表面。

相关技术的描述

激光雕刻是用于经由聚焦激光束在材料表面上获得特定几何图案的技术。通过使用聚焦激光束将能量注入到表面上，表面上的离散位置被加热，并且部分材料被移位和/或蒸发。以这种方式形成的图案化表面几何形状可在表面上呈现期望的外观纹理和/或形成改变材料的材料性质的几何微结构。激光雕刻可在多种材料上实施，因此具有许多有用的应用。然而，目前开发新激光雕刻工艺的方法非常有限。

为了经由在给定材料表面上进行激光雕刻而获得期望的表面几何形状，需要准确地确定许多因素。这些因素包括但不限于激光在表面上经过的道次、用于为每个道次配置激光的各种激光工艺参数的特定值以及表面的材料组成和初始几何形状。此外，为了平衡所得表面几何形状的质量与激光雕刻工艺的速度之间的关系，通常需要优化这些因素。确定和优化这些各种因素的过程是耗时的、劳动密集的并且容易出错。

目前，选择应对上述因素的适当激光雕刻策略的过程是手动的并且基于试错法。例如，对于目标表面几何形状，首先使用激光雕刻机在多个不同表面上执行一系列激光雕刻实验以产生多种雕刻表面。然后，例如经由光学或激光表面扫描仪对所得雕刻表面进行的手动分析可以用来评估激光雕刻实验中的任一者是否产生具有充分接近目标表面几何形状的表面几何形状的雕刻表面。这种类型的常规方法的缺点包括执行激光雕刻实验和后续分析所需的时间和劳动力以及没有激光雕刻实验实际产生具有充分接近目标表面几何形状的表面几何形状的雕刻表面的风险。

在许多应用中，当修改物理过程时，通常采用物理过程的计算机模拟来最小化或甚至消除对试错实验方法的需要。然而，对于激光雕刻，传统的计算机模拟具有有限的实用性。具体地，准确地表征引导到给定表面上的一系列激光脉冲如何改变该表面的几何形状是高度复杂的热机械问题。为了正确地对这种类型的问题进行建模，必须考虑若干因素，包括但不限于激光脉冲的能量分布的时间瞬态性质、被处理的表面部分的相态变化(即，熔化和/或蒸发)、表面内与加热和冷却相关联的热效应和机械效应以及熔体池的二次效应。为了使用有限元方法为这种问题生成准确结果，需要空间上和时间上的高分辨率离散化。因此，单个激光脉冲在特定表面上的热机械效应的准确模拟可能花费数分钟到数小时来执行。将该方法扩展到用于生成与单个工艺参数集相关联的单个模拟表面的数百万或数十亿个激光脉冲完全是不切实际的。对于工艺参数的不同组合执行这样的程序以确定最佳激光雕刻解决方案是甚至更不实际的。

如上所述，本领域需要更有效的方法来实施产生雕刻表面的激光雕刻工艺。

发明内容