KR102520120B1 - 추가 레이저 기계가공 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저 처리 시스템 및 방법은 다중 처리 빔 어레이에서 작업 표면에 다중 코어 어레이를 결상한다. 광학 시스템은 처리 빔을 분리하고 처리 빔을 작업 표면을 향해 수렴시키고, 작업 표면 또는 작업 표면 부근에서 어레이의 각각의 빔을 포커싱한다. 작업 표면으로의 충전재 재료 유동을 위한 액세스를 갖는 중심 축이 제공된다. 처리 빔 어레이 및 중심 충전재 재료 공급은 전방향 부가적 레이저 처리 성능을 제공한다.

Description

추가 레이저 기계가공 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2017년 1월 5일자로 출원된, 동시 계류중인 미국 가특허 출원 번호 62/442,692의 이익을 주장하며, 이는 본원에 참고로 포함된다.

본 개시내용은 추가 레이저 기계가공(additive laser machining)에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 직접 처리 헤드(direct processing head) 내의 중심 축방향 공급 소모성 충전 재료(centric axial feed consumable fill material) 및 배열된 주연 조명을 갖는, 클래딩 및 용접과 같은 고파워 레이저 추가 기계가공(high power laser additive machining)에 관한 것이다.

레이저계 추가 제조 기술은 고파워 레이저 시스템 및 매우 양호한 빔 품질 파라미터의 출현으로 매우 높은 관심을 받고 있다. 수백 와트 내지 수만 와트의 레이저 파워가 추가 금속 처리(additive metal processing), 레이저 용접 및 레이저 재료 절단을 가능하게 하였다. 처리를 위해 사용되는 두 가지 접근방식은 원격 처리 및 직접 처리이다. 원격 처리에서는, 레이저 스폿이 예를 들어 빔 편향 미러를 사용하여 처리될 재료에 걸쳐 스캐닝된다. 직접 처리에서는, 처리 헤드는 작업편에 대해 기계적으로 위치설정되고, 상기 헤드는 레이저 스폿 및 충전 재료 모두를 전달한다.

추가 처리 적용예에서의 원격 처리는 현재 전용 시스템 및 유한 구축 체적(finite build volume)으로 제한되지만, 직접 처리 헤드는 기계 공구 및 현장 처리 상황에 용이하게 적용될 수 있다. 또한, 직접 처리는 선재의 베이스 구조에 재료를 추가할 수 있으며, 예를 들어 레이저계 금속 클래딩은 표면 금속을 기저 금속 구조(underlying metal structure)에 적용할 수 있다. 클래딩의 재료 특성은 경도, 내부식성 및 다른 소정의 특성에 관하여 클래딩된 부분의 특성을 향상시킬 수 있다. 클래딩은 재료 마모를 교체하는 수리 작업에 사용될 수 있으며, 터빈 블레이드와 같이 복잡하고 값비싼 부품뿐만 아니라 마모된 공구의 수리 및 재기계가공(re-machining)을 용이하게 할 수 있다.

금속 클래딩에 사용되는 몇몇 기술은 분무된 용융 금속, 공압식으로 전달된 융합된 분말 금속 및 와이어 공급식 용접 금속(wire fed welded metal)을 포함한다. 분무된 금속은 일반적으로 영역 코팅(area coating)으로서 적용되지만, 정밀한 레이저 적용을 갖는 융합된 분말 및 와이어계 기술이 재료를 높은 정밀도로 작은 영역에 적용하기 위해서 사용될 수 있다.

층별로 3차원 구조를 구축하기 위해 재료의 반복된 적용이 사용될 수 있다. 와이어 공급식 금속 적용(wire fed metal application)은 더 낮은 재료 비용, 더 용이한 재료 취급, 더 빠른 적용 및 완전히 조밀한 용접 모폴로지로 인해 일부 경우에 선호될 수 있다.

용접 및 클래딩을 위한 전통적인 와이어 공급 메커니즘은 레이저로부터 축외로 소모성 충전 재료를 제공한다. 이는 특정 적용에 따르는 충전 리드 또는 래그(fill lead or lag)와 관련된 방향적 고려로 장치를 방해할 수 있다. 즉, 처리는 처리 헤드, 와이어 공급, 및 용융 풀 기하형상의 배향으로 인한 특정 방향 및 범위로의 상대 공구 이동에 제한될 수 있다. 축방향 공급식 중심 충전 재료 공급 시스템은 이러한 제한을 극복할 수 있어, 전방향성 처리를 촉진할 수 있다.

축방향 재료 공급 메커니즘에 의해, 공급 기구에 의해 차단되는 중심 체적을 피하면서 작업 표면으로 처리 방사선을 지향시키기 위해 레이저 빔 관리가 필요하다. 재료를 레이저 처리 헤드의 처리 축 상으로 가져오기 위해 실행가능한 비-차단 루트가 필요하다. 이는, 연속적인 환형 조명 체계가 축외 시스템으로부터 처리 빔 축으로 도입될 공급 재료에 대한 중단 없이 가능하지 않다는 것을 의미한다.

미국 특허 번호 6,664,507의 일 예에서는, 와이어 공급 튜브를 위한 경로를 만들기 위해 빔의 중심 부분을 재지향함으로써 빔을 두 부분으로 분할하기 위해 반사 미러 시스템이 사용된다. 더욱 최근에는, 동축 레이저 빔 내부의 중심 와이어 공급 시스템이 "Innovations in cladding and direct laser metal deposition", chapter 8, pages 182-183 of Laser Surface Engineering Processes and Applications, ISBN: 978-1-78242-074-3에 Leyens and Beyer에 의해 개시되었다. Fraunhofer IWS Dresden으로부터의 COAX 와이어 시스템은 시준된 빔을 3개의 주변 빔으로 분할하고 이 빔들을 원형 스폿으로 포커싱하기 위해 3방향 빔 분할 배열(three-way beam splitting arrangement)을 사용한다. COAX 와이어 시스템은 4kW로 정격화된다. 다중 빔 배열을 갖는 다양한 양태의 용접 및 클래딩이 미국 특허 번호 9,050,674, 9,085,041 및 9,095,928에 개시되어 있다.

처리 강화를 위한 독립적 다중 빔의 전달에 대한 향상이 PCT 공보 번호 WO/2016025701에 개시되어 있다. 다중 섬유가 예열, 클리닝, 삭마(ablating), 절단, 브레이징, 용접, 어닐링 및 평활화와 같은 다중 처리 단계를 위해서 배열된 섬유 코어 기하형상을 가지는 벌크 광학부에 융합된다. 코어 패턴은 작업편에 결상되고, 상이한 코어 내의 파워는 코어에 연계된 처리 단계에 따라 변한다. 종래의 빔 전달 광학부는 이러한 고정된 코어 패턴의 수정을 허용하지 않아서, 상이한 패턴에 대해, 상이한 섬유 세트 및 융합된 벌크 광학부가 요구될 것이다. 마찬가지로, 종래의 포커싱 및 정렬은 전체 코어 어레이 이미지를 조정할 것이다. 종래의 시준기 및 포커스 렌즈 시스템 조합은 작업 표면 근처에 충전 재료 공급 기구와 같은 중심 구성요소를 위한 충분한 빔 사이 공간을 제공할 수 없다.

6 kW를 초과하는 파워가 가능한 시스템이 향상된 처리 속도 및 성능에 대해 바람직하다. 그러한 고파워에서, 빔 분할 기술은 파워 성능 및 파워 분포를 제한할 수 있거나, 빔 품질을 손상시킬 수 있거나, 또는 특정 용접 및 클래딩 동작에 대해 정렬 및 적응되기 어려운 복잡한 광학 배열을 요구할 수 있다.

따라서, 중심 공급 공구 기하형상과 양립가능하며 작업 표면 부근에 축방향 공간을 제공하는 간단하고 고파워인 가요성 빔 전달을 갖는 용접 및 클래딩 방법 및 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

따라서, 본 개시내용은 다중 광섬유 코어 어레이를 갖는 효율적 레이저 처리 시스템을 제공한다. 각각의 코어로부터의 빔이 다중 빔 어레이 내의 빔으로서 레이저 처리 헤드 내로 전파된다. 광학 시스템이 다중-빔 어레이를 수용하고, 다중 빔을 다중 처리 빔으로 공간적으로 분리하고, 중심 공구 축을 둘러싸는 처리 출력 어레이 내에 다중 처리 빔을 배열하고, 각각의 빔을 작업 표면 또는 작업 표면 부근의 하나 이상의 처리 스폿에 포커싱한다.

본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에서, 코어 어레이의 각각의 코어는 벌크 광학부 또는 출력 블록의 어레이 내의 출력 블록에 융합된다. 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에서, 공간적으로 분리된 다중-빔 출력은 빔의 방사상 어레이이다. 광학 시스템은 슈바르츠실트 시스템(Schwarzschild system), 반사굴절 시스템, 빔 재지향 시스템, 비구면 반사기, 또는 빔 회전 광학 시스템일 수도 있다.

또한, 본원 개시내용은, 다중 광섬유 코어 어레이 내의 다중 레이저 빔을 레이저 처리 헤드에 전파하고, 다중 빔 출력 어레이로서 다중 레이저 빔을 출력하고, 다중-빔 출력 어레이를 수용하고 다중-빔 출력을 다중 처리 빔으로 공간적으로 분리하고 중심 공구 축을 둘러싸는 처리 출력 어레이 내에 다중 처리 빔을 배열하고 작업 표면 또는 작업 표면 부근의 하나 이상의 처리 스폿에 각각의 빔을 포커싱하는 광학 시스템을 제공함으로써, 효율적인 레이저 처리 방법을 제공할 수도 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 본 개시내용은 중심 공구 축을 따라 재료 공급 메커니즘에 대한 액세스, 중심 공구 축을 따르는 작업 표면으로 충전재 와이어 스톡을 공급하는 것, 작업 표면 및 와이어 중 하나 이상 처리 스폿으로 조사하는 것, 와이어로부터의 재료가 작업편에 추가되도록 작업 표면에서 충전재 재료를 용융시키는 것을 제공한다. 처리 빔은 다중 처리 축을 따라 처리 재료를 제공하도록 회전 또는 선택될 수 있다.

이러한 그리고 다른 특징 및 이점은 도면과 함께 취해진, 후속하는 상세한 설명을 읽음으로써 더 양호하게 이해될 것이다.

도 1은 단일 블록의 다중 코어 어레이의 예시를 제공한다.
도 2는 다중 블록, 다중 코어 어레이의 예시를 제공한다.
도 3은 각도 빔 분리(angular beam separation)를 이용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 4a는 슈바르츠실트 광학 시스템을 사용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 4b는 반사굴절 광학 시스템을 사용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 5는 빔 재지향 광학 시스템을 사용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 6은 이미지 회전 광학 시스템을 사용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 7은 방사상 빔 어레이를 사용하는 실시예의 광학적 개략도를 제공한다.
도 8은 단일 축을 따르는 다방향 처리의 예시를 제공한다.
도 9는 다중 축을 따르는 다방향 처리의 예시를 제공한다.
도 10은 이미지 회전 광학 시스템을 사용하는 실시예의 예시를 제공한다.
도 11은 시준기 어레이를 사용하는 실시예의 예시를 제공한다.
도 12는 각도 빔 분리를 사용하는 실시예의 예시를 제공한다.
도 13은 방사상 빔 분리를 사용하는 실시예의 예시를 제공한다.
도 14는 타원형 포커싱 미러를 사용하는 실시예의 예시를 제공한다.

이제, 본 개시내용의 실시예가 상세하게 참조될 것이다. 가능하다면, 동일하거나 또는 유사한 참조 번호 또는 문자가 도면 및 상세한 설명에서 동일하거나 또는 유사한 부분 또는 단계를 지칭하는데 사용된다. 도면은 단순화된 형태이고 정밀한 축척을 갖지 않는다. 편의성 및 명료함만을 목적으로, 방향(상/하 등) 또는 운동(전/후 등) 용어가 도면과 관련하여 사용될 수 있다. 용어 "결합" 및 그 유사 용어는 반드시 직접적이고 바로 이웃한 연결을 나타내는 것은 아니며, 중간 요소 또는 디바이스를 통한 연결을 또한 포함한다.

도면은 전파 페이지의 평면 내의 2개의 어레이 요소로서 하나의 어레이를 개략적으로 도시함으로써 명료함을 위해 단순화될 수 있다. 예를 들어, 임의 수의 섬유 코어, 빔 또는 광학 요소의 방사상 어레이가 2개의 섬유 코어, 빔 또는 광학 요소로서 상기 페이지 상에 단순하게 도시될 수 있다. 광학 경로 토폴로지를 묘사하는 대표적인 개략적 주광선(chief ray)을 도시하는 도면이 또한 단순화될 수 있다. 실제 빔 포커싱 특성이 개략적인 표현에서 도시되지 않을 수도 있다.

섬유 코어 어레이

본 개시내용은 레이저 처리 공구의 축 상에서의 충전재 재료 공급을 위해 작업 표면 근처에 공간을 제공하면서 다중 섬유 코어 어레이를 작업 표면 상에 결상하는 레이저 처리 공구를 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 어레이(10)는 유사한 크기의 코어(11)의 환형 어레이일 수 있다. 엄격한 대칭이 요구되지 않을 때, 어레이(12)에서와 같이, 코어(13, 14)는 상이한 직경일 수 있다. 각각의 코어는 50 미크론과 600 미크론 사이일 수 있고, 코어의 수 및 코어 크기는 프로세스 섬유 기하형상 및 하류 광학부의 물리적 범위(physical extent)에 의해 제한될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 환형 어레이가 축방향 공급 재료 경로에 대응하는 보이드 영역(15)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 이러한 보이드는 대칭 어레이의 경우에 중심설정될 수 있거나, 또는 비대칭 어레이의 경우에 중심을 벗어날 수 있다.

출력 광학부

어레이 내의 각각의 코어가 출력 광학부(output optic)에 융합된다. 적어도 하나의 실시예에 있어서, 다중 코어가 예를 들어 본원에 참조로서 전체가 포함된 WO/2016025701에 개시된 바와 같이, 벌크 광학부를 포함하는 단일 석영 블록(single quartz block)에 융합된다. 벌크 광학부는 길이가 2 mm 내지 25 mm일 수 있고 직경이 2 mm 내지 12 mm일 수 있으며, 고정된 배열로 블록에 융합된 다중 처리 섬유를 가질 수 있다. 본 개시내용에서, 블록의 형상은 원통형이 아닐 수 있으며 둥근형, 정사각형, 육각형 또는 다른 형상의 단면일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 모든 경우에, 블록은 손상 없이 블록을 통해 투과되는 모든 고파워 처리 빔(high power processing beam)을 내구하기에 적합한 출구면을 갖는다.

이제 도 2를 참조하면, 본 개시내용의 실시예는 다중 출력 블록의 어레이에 의해서 형성되는 섬유 코어 어레이를 포함할 수 있다. 다중 블록(21)은 어레이(22) 내에서 각각의 블록에 융합되는 하나 이상의 처리 섬유와 함께 사용될 수 있다. 각각의 블록은, 블록이 배열될 수 있도록 다각형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 4개의 정사각형 단면 블록(23)이 2 x 2 어레이(24)를 형성할 수 있거나 또는 6개의 육각형 블록(25)이 6 요소 환형 어레이(26)를 형성할 수 있다. 이들 및 다른 기하학적 형상은 섬유 코어들 사이의 간격이 증가되어 벌크 광학부 내로 다중 블록을 융합시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 다중 블록이 사용될 때, 코어를 블록에 융합하는 것이 단순화될 수 있다. 다중 블록은 중심 보이드(27)를 갖도록 배열될 수 있고, 예를 들어 공급 재료 유동 경로 또는 제어 시스템 연결성을 위한 동축방향 액세스를 제공할 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 있어서, 블록은 내부 전반사(total internal reflection)(TIR) 면(28)을 포함한다. TIR은 빔을 측벽 출구면으로 절첩한다. 이러한 방식으로, 벌크 광학부를 진출하는 빔은 방사상 패턴 부분을 형성한다. 편리하게는 그리고 단지 예로서, TIR 면을 갖는 6개의 육각형 블록의 어레이는 방사상 패턴(29)을 위한 평면측 출구면을 제공한다.

이제 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 실시예에서, 섬유 코어 어레이(31)가 벌크 광학부(32)에 융합된다. 처리 빔은 벌크 광학부를 통해서 투과되고 출구면(33)에서 벌크 광학부를 진출한다. 바람직하게는, 벌크 광학부의 출구면은 다중-킬로와트(multi-kilowatt) 출력 파워를 내구하도록 반사방지 코팅된다. 벌크 광학부를 진출하는 각각의 빔(34)이 각각의 코어의 개구수 및 벌크 광학부로부터의 광학적 전달(optical transfer)에 따라서 발산된다. 예를 들어, 코어로부터 공기로 벌크 광학부를(또는 다중 블록으로부터) 진출하는 개구수는 .1 NA와 .22 NA 사이 또는 .14 NA와 .16 NA 사이일 수 있다. 개구수는 각각의 코어에 대해 상이할 수 있다.

시준기

다중 빔이 블록의 단일 면으로부터 멀어지는 방향으로 전파될 때, 빔 프로파일은 NA에 따라 발산하고, 빔 크기가 증가함에 따라, 조합된 빔 내로 중첩된다. 코어들이 매우 근접하고 단일 블록 내의 빔인 경우, 절첩 미러 등으로 빔을 직접적으로 분리하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 또한, 빔이 중첩된 상태이면, 빔 분할기 배열로 빔을 분리하는 것이 가능하지 않을 수 있다.

유리하게는, 시준기가 빔 분리를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 각 빔 분리(angular beam separation)를 사용하는 실시예가 또한 도 12에 도시되어 있다.

시준기 광학부(35)는 함께 블록을 진출하는 모든 빔을 시준한다. 시준된 빔(34a)이 코어 대 코어 간격에 기인한 각각의 빔의 상이한 유효 필드 위치(effective field position)의 결과로서 상이한 각으로 시준기로부터 멀어지는 방향으로 전파됨에 따라, 빔 프로파일은 결국 거리(L)에서 분리된다. 빔이 분리되었을 때, 각각의 빔은 광학 시스템(36)에 의한 추가 변경을 위해 액세스가능하여, 공급 기구(39)를 수용하도록 광학 축을 따라 제공되는 공간을 갖도록 작업편(38) 상에 처리 빔(37)을 수렴시킨다.

대안적인 배열에서, 각각의 빔은 적어도 하나의 광학 표면의 대응 광학부 또는 일 부분과 개별적으로 시준된다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이 각각의 빔을 개별적으로 시준하기 위해 시준기 어레이가 사용될 수 있다. 이는 다중 블록이 사용될 때 그리고 코어 대 코어 분리가 클 때 바람직할 수 있다. 각각의 빔에 대한 개별 시준기의 편심화는 각도 빔 변위를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 특히 유한 공액 광학 결상 시스템(finite conjugate optical imaging system)이 사용될 때 시준기가 사용되지 않는다.

대물 렌즈(Field lens)

벌크 광학부의 출구면(33)은 편평할 수 있지만, 예를 들어 포커싱된 역반사(focused back reflection)로부터의 수반되는 고파워 손상(attendant high power damage)에 의해 반경 형상(radius feature)이 금지되지 않는다면, 더 콤팩트한 광학 시스템을 검증하기 위해 반경이 바람직할 수 있다. 상기 반경, 바람직하게는 볼록 반경(30)이 대물 렌즈로 기능할 수 있다. 도시된 바와 같이, 대물 렌즈는 어레이 내에서 빔들 사이의 상대적인 발산을 효과적으로 증가시키고, 거리(L)를 단축시키는데 사용할 수 있다. 하지만, L을 단축시킨다는 것은 또한 거리(L)에서 각각의 빔의 직경이 감소되는 것을 의미한다는 것에 주목한다. 시준 요소 및 하류 광학부의 파워 취급 용량(power handling capacity)이 벌크 광학부에 근접한 별개 대물 렌즈 광학부(discrete field lens optics)에서 또는 광학 파워를 갖는 벌크 광학부와 함께 대물 렌즈 효과의 실제 적용을 제한할 수 있다. 대물 렌즈는 하류측 결상 광학부와 관련하여 시스템 구성을 향상시킬 수 있지만, 대물 렌즈는 선택적으로 고려되어야 하고, 렌즈 요소로서 구현될 수도 있고, 적어도 하나의 실시예에서 대물 렌즈는 생략된다.

결상

분리된 빔은 시준된 것으로 고려될 수 있지만, 광학 시스템 설계의 분야의 기술자라면, 시준으로부터 벗어난 변동이 본 개시내용의 범주 내에 있다는 것을 이해할 것이다. 마찬가지로, 빔 축 전파는 시스템의 광학 축에 평행한 것으로 제한되지 않는다.

이제, 광학 시스템의 대물 평면(object plane)이 섬유 코어 어레이이기 때문에, 이미지 평면은 코어의 이미지가 될 것이다. 바람직하게, 광학 시스템의 배율은 1x와 3x 사이이지만, 코어 크기 및 원하는 이미지 크기에 따라 12x 또는 20x만큼 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 빔은 작업편에서 재지향 및 재조합된다. 그 결과, 빔 분리의 배율(어레이 범위 등)은 코어 대 코어 이미지 배율에 부합하지 않을 수 있다. 사실상, 어레이 코어 이미지가 재지향 및 중첩될 때, 어레이 범위의 배율은 본질적으로 0으로 진행하지만, 각각의 코어의 배율은 유한하다. 일반적으로, 코어 이미지는 100 미크론과 600 미크론 사이가 될 것이다. 실행자들은 코어 결상(core imaging)의 코어 배율 및 충실도가 용례에 고도로 의존한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 특정 처리 용례는 양호하게 형성되는 스폿 형상을 요구할 수 있는데, 이 경우 그 외의 것들은 결상 시스템 수차(imaging system aberration) 및 결과적인 스폿 형상 결함에 대해 조금 더 관대하다.

코어가 단일 모드 섬유 코어인 경우에, 스폿 결상 특성이 가우스 빔 전파(Gaussian beam propagation)를 사용하여 계산될 수 있다. 광학 모델링 소프트웨어는 가우스 모델링 뿐만 아니라 결상 성능을 예측하고 스폿 충실성(spot fidelity), 효율 및 다른 시스템 파라미터를 위한 특정 결상 시스템 실시예를 최적화하기 위한 광선계 분석을 위해 사용될 수 있다.

다양한 광학 구성이 분리된 빔을 결상하기 위해 고려된다. 도 4a에 도시된 일 실시예에서, 반사성 슈바르츠실트 광학 시스템이 사용된다. 슈바르츠실트 시스템(40)에서, 빔 어레이(41)는 제1 미러인 볼록 미러(42)에 입사되고, 반사 후 빔은 발산 빔(43)으로서 제1 미러로부터 발산된다. 발산 빔은 제2 미러인 오목 미러(44)에 입사된다. 오목 미러(44)로부터의 반사 후, 수렴 빔 어레이(37)가 작업편(38) 또는 그 부근에 있는 어레이의 각각의 빔의 포커스 및 공통 광학 축을 향해 전파된다. 제1 미러는 제2 미러를 따르는 경로 내에서 중심 차단부(obscuration)가 되고, 그에 따라 바람직하게는 어레이(37) 내의 빔은 빔 클립핑(clipping) 또는 비네팅(vignetting) 없이 미러(42)를 통과한다. 빔 어레이가 적합하게 확장된 상태에서, 확장된 어레이의 중심 보이드가 중심 차단부에 대응한다. 따라서, 빔 통과 후에, 광학 시스템의 축 및 제1 미러는 와이어 공급 튜브(39)와 같은 공급 공구를 수용할 수 있다. 이 시스템의 미러는 구면일 수 있거나 또는 구면 수차와 같은 광학 수차를 보정하도록 비구면일 수 있다.

도 4b에 따른 다른 실시예에서, 결상 시스템은 굴절 렌즈(46)가 후속되는 제1 및 제2 미러를 갖는 반사굴절 시스템(45)일 수 있다. 슈바르츠실트 배열과 비교할 때, 제2 미러의 크기가 감소될 수 있다. 굴절 요소는 밀봉형 광학 시스템을 제공할 수 있다. 반사굴절 시스템의 일 예에서는, 도시된 바와 같이, 제1 미러는 굴절 요소의 제1 표면이다. 이 실시예에서, 제2 미러는 비구면 미러일 수 있다. 임의의 굴절 요소 표면으로부터 독립적인 별개 표면으로 사용되는 제1 미러를 포함하는 많은 반사굴절 변형이 가능하다.

광학 시스템의 적응(adaptation)은 코어 어레이의 이미지를 수정할 수 있다. 예를 들어, 코어 어레이의 전체 이미지보다는 다중 빔을 중첩시킴으로써 단일 스폿을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 공구 헤드로부터 작업편까지의 거리를 변화시키고 각각의 빔 어레이 축이 공칭 이미지 평면으로부터 소정 거리에서 수렴할 수 있게 함으로써 달성될 수 있다. 축방향 거리의 변화의 결과로서, 빔 어레이가 상응하여 디포커싱된다. 이러한 포커스 변화를 수용하기 위해, 작은 광학 파워를 갖는 각각의 빔을 포커싱하기 위한 요소를 갖는 렌즈 어레이, 예를 들어 약 발산 렌즈(weak negative lens)의 어레이가 그들이 중첩되는 거리로 각각의 코어 이미지 포커스를 밀어낼 수 있다(당길 수 있다). 각각의 빔 축에 대한 이러한 렌즈의 양호한 센트레이션(centration)은 각 빔 편차를 방지할 것이라는 점에 주목한다. 어느 정도까지, 포커스 수용(focus accommodation)이 입력 빔 시준을 변화시키기 위해 시준 렌즈 포커스 시프트 또는 단일 입사동 요소와 함께 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 시준 변화가 하류 빔 크기에 영향을 미칠 수 있고, 렌즈 어레이 접근방식이 더 효과적인 포커스 수용을 제공할 수 있다.

축상(on-axis) 시스템이 2개의 요소로서 단순화될 수도 있지만, 제2 미러 직경은 크고 그 광학 표면적은 충분히 이용되지 않을 수 있다. 직접 빔 조향 미러의 일부 상이한 배열이 각각의 빔과 연계된 별개의 미러 쌍과 함께 사용될 수도 있다. 제1 미러는 빔을 중심 축으로부터 멀어지는 방향으로 지향시키고, 제2 미러는 빔 축을 공급 재료 상 또는 작업편 상의 원하는 위치로 집광시킨다.

도 5를 참조하면, 빔 재지향 실시예(50)에서, 각각의 빔(51)은, 빔을 조합된 광학 축에 대해 빔(53)으로서 편향시키기 위해 제1 미러(52)에 의해 반사되어, 각각의 제2 미러(54)와 충돌한다. 제2 미러(54)는 빔(53)을 편향시키고, 직접적으로 또는 하류측 광학 요소와 조합하여, 조합된 광학 축을 향해 수렴하는 빔(37)을 촉진한다. 제1 미러(52)는 도시된 바와 같이 중심 축으로부터 방사상 멀어지는 방향으로, 대향측에 대해 광학 축을 향하고 교차하도록, 광학 축에 접하는 방향으로 또는 다양한 중간 각으로 빔을 편향시킬 수 있다. 특정 배열이 광학 시스템의 점유 체적을 감소시킬 수 있고 및/또는 중심 축에 대한 액세스를 위한 공간을 제공하거나 중심 축에 공간을 증가시킬 수 있다. 2개의 미러 빔 조향의 다양한 유사 배열 및 변형이 가능하고, 상세한 3차원 레이아웃이 일상적인 것으로 고려된다.

광학 파워는 도시된 바와 같이 오목 표면 모양을 갖는 하나 이상의 제2 미러(54)에 포함될 수 있고, 도넛형 형상과 같은 애너모픽 형상의 비구면일 수 있다. 광학 파워는 제2 미러(54)가 편평한 미러일 때 하나 이상의 투과성 광학 요소와 함께 추가될 수 있다. 투과성 광학 요소는 각각의 빔과 연계된 하나의 포커싱 요소를 갖는 어레이를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 단일의 환형 포커싱 요소가 사용된다.

빔 편향 미러가 사용될 때, 빔 위치는 미러의 경사 조정에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 미러 조정은 코어 스폿 위치의 정적 정렬을 위해 사용될 수도 있다. 또한, 미러는 예를 들어 용접 풀 교반(weld pool stirring) 및 다른 용례를 위한 빔 요동(beam wobble)과 같이 작업편에 빔 운동을 부여하도록 동적으로 제어될 수 있다.

도 6은 재배향된 섬유 코어 이미지(61)를 제공하기 위해 광학 시스템의 일부로서 사용될 수 있는 빔 회전 시스템(60)을 도시한다. 예를 들어, 빔 회전 시스템은 시준기를 따르는 광학 경로 내의 도브 프리즘(Dove prism) 또는 중공 도브 프리즘일 수 있다. 슈바르츠실트 시스템과 같은 회전 대칭 시스템에 의해, 공급 기구가 영향을 받지 않는 정도로의 연속 회전이 가능하다. 고정된 별개 빔 지향 광학부에 대해, 빔 회전자는 고정된(클로킹(clocking)) 회전 각을 사용하여 코어 이미지를 재배향할 수 있다. 3개의 빔 시스템에 의해, 예를 들어, 상이한 코어가 처리 헤드에 대해서 동일한 배향으로 처리 단계들에 사용될 수 있도록, 빔 회전자가 어레이의 이미지를 +- 120도 회전시킬 수 있다. 데카르트 시스템에서, 처리 이미지의 90도만큼의 재배향은 x 및 y축을 따르는 다방향 공구 이동을 용이하게 할 수 있다. 이미지 회전 광학 시스템의 다른 실시예가 도 10에 도시된다.

도 7을 참조하면, 적어도 하나의 실시예에서, 다중 섬유 코어(71)로부터의 빔이 팬 아웃 광학부(73)에 의해 빔(72)의 방사상 어레이로 형성된다. 비구면 미러(74)가 방사상 빔을 시준하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공통의 기점 중심(common center of origin)에 가상 코어 이미지를 갖는 방사상 빔에 대해, 포물면 미러가 모든 빔을 시준할 수 있고, 편리하게는 시준된 빔이 광학 축에 평행하게 전파될 수 있다. 이들 빔은 굴절 광학부(75)에 의해 수렴 및 포커싱될 수 있다. 방사상 빔 분리를 사용하는 다른 실시예가 도 13에 도시되어 있다.

방사상 어레이로, 비구면 미러(76)는 전체 결상 시스템을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 미러는 타원형이다. 가상 대물 코어(virtual object core)는 타원형 미러의 제1 포커스에 위치되고 처리 스폿 코어 이미지는 다른 포커스에 위치된다. 이러한 방식으로, 단일 광학부는 방사상 입력 어레이로부터 작업 레이저 스폿을 생성한다. 타원형 포커싱 미러를 사용하는 실시예가 도 14에 또한 도시되어 있다.

방사상 어레이에는, TIR 면(78)을 갖는 블록(77) 과 같은, 측면 출구 블록의 클러스터로 형성될 수 있다. 내부 TIR 편향 각은 빔의 전체 NA를 수용해야 한다. 이와 같이, TIR 표면 입사 각은 대략 1.45의 굴절률을 갖는 석영 블록에 대해 45도를 초과할 수 있다. TIR 클러스터에 대한 대안적인 배열은 빔을 방사상 어레이로 편향시키는 각각의 빔에 대해 하나의 반사성 면을 갖는 반사성 프리즘이다. 예를 들어, 육각형 막대의 링이 각각의 막대에 반사성 각진 면을 가질 수 있고 방사상 빔 어레이를 생성하기 위해 링 형태로 클러스터될 수 있다(clustered).

공구 헤드는 회전 자유도를 가질 수 있고, 헤드 내의 빔의 재배향은 처리 헤드의 제어된 운동과 조화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특히, 공급 기구가 처리 빔을 차광할 때, 이는 공구 헤드가 처리 빔 이미지를 방향설정(orient)할 수 없는 유효 블라인드 스폿을 생성할 수 있다. 이 경우에, 헤드의 회전은 블라인드 스폿 각을 커버하는데 사용될 수 있다. 공구 헤드 운동 및 빔 회전의 다른 성능은 예를 들어 빔 회전이 공구 헤드 회전에 대해 증가된 속도를 제공할 때 전체 처리 성능을 향상시킬 수 있다.

추가 코어 이미지 수정은 줌 광학 시스템과 함께 제공될 수 있다. 줌 광학 시스템은 배율을 처리하기 위한 코어의 가변 제어에 사용될 수 있다. 처리 헤드는 하나 이상의 코어의 스폿 크기를 조정하기 위해 하나 이상의 줌 시스템을 가질 수 있다. 이전 빔 회전과 조합하여 사용될 때, 단일 줌 시스템이 다중 코어 이미지 각각을 수정할 수 있다.

본 개시내용에서의 2개의 잠재적 제한 인자는 코어 크기 및 코어 분리이다. 첫째로, 각각의 처리 빔에 액세스할 수 있도록 충분한 코어 분리가 필요하다. 더 큰 개재 공간을 갖는 증가된 코어 틈새가 콤팩트 광학 시스템에서 빔 분리를 제공할 수 있다. 둘째로, 큰 코어 직경은 코어 틈새를 감소시키고 코어 사이의 공간을 줄일 수 있다.

전방향성 처리

본 개시내용의 양태는 전방향성 처리를 제공하기에 이상적으로 적합하다. 중심 공급 기구는 빔 결상이 그에 따라 제어될 때 처리의 방향에 관하여 상당한 자유를 제공한다. 도 8에 도시된 양방향 예에서, 6개 코어의 어레이(80)가 작업편 상에 결상된다. 어레이는 2개의 큰 직경 코어 및 4개의 작은 직경 코어를 포함할 수 있다. 3개 코어, 즉 2개 작은 리딩(leading) 코어 및 하나의 큰 래깅(lagging) 코어의 서브 어레이의 배향은 2개의 서브세트(81, 82) 중 어느 하나를 선택함으로써 제어될 수 있다.

이러한 코어 선택 프로세스를 도 9에서 추가로 취하여, 8개의 코어 어레이(90)로, 데카르트 처리(Cartesian processing)가 3개 코어(91A, 91B, 91C)의 서브 어레이를 선택함으로써 가능하다. 이 예에서, 작은 직경 코어가 2개의 직교 방향으로 각각 사용된다는 것에 주목한다. 따라서, 단지 8개의 코어로 각각의 방향에서 3개의 빔과 함께 4개의 독립 방향이 제공되어, 12(3개의 코어 x 4개의 배향)로부터 전용 코어 카운트를 감소시킨다.

본 개시내용의 양태는 고온 및 저온 와이어 공급식 용접 충전재 재료에 관한 것이지만, 전방향 처리는 금속 와이어 충전재 재료에 제한되지 않는다. 충전재 재료는 페이스트 분배기, 분말 분배, 테이프 분배기 또는 작업 표면 재료 전달 시스템으로의 다른 벌크 재료 저장소에 의해 공구 축 상에 전달될 수 있다. 유사하게, 용접 및 클래딩은 금속 충전 및 금속 베이스 부분에 제한되지 않는다.

본 개시내용의 실시예는 레이저 처리 동작의 일부로서 차폐 가스, 처리 플럭스 및 다른 소모성 재료를 도입하기 위한 추가적인 설비를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 추가적인 재료는 처리 헤드의 중심 축 내에서, 동심 위치로부터 또는 축외(off axis) 위치로부터 공급될 수 있다. 중심 축은 다중 와이어 공급식 충전재를 포함하는 다중 소모성 재료에 대한 액세스를 제공할 수 있다.

본 기술분야의 기술자라면, 단지 통상적인 실험을 수행하여 본원에 기술된 발명의 구체적인 실시예 대한 많은 등가물을 인식하거나 찾아낼 수 있을 것이다. 개시된 개략도는 임의의 레이저 시스템과 함께 사용될 수 있으나, 여기에서 개시된 구조에 대한 원동력(impetus)은 재료 처리에 있다. 그러므로, 전술된 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며, 첨부된 청구범위 및 그것에 대한 등가물의 범주 내에서, 본 발명은 구체적으로 개시된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용은 본원에 개시된 각각의 개별 특징부, 시스템, 재료, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 둘 이상의 그러한 특징, 시스템, 재료, 및/또는 방법의 임의의 조합이 그러한 특징, 시스템, 재료, 및/또는 방법이 상호 모순되지 않으면, 본 개시내용의 범주 내에 포함된다.

Claims (20)

1. 레이저 처리 시스템이며,
   다중 광섬유 코어 어레이(31)로서, 레이저 빔을 각각의 레이저 소스로부터 레이저 처리 헤드로 전파시키도록 그리고 레이저 빔(34, 34a)을 다중 빔 출력 어레이(34) 내의 빔으로서 출력하도록 구성되는, 다중 광섬유 코어 어레이(31); 및
   다중-빔 출력 어레이(34)를 수용하고, 다중-빔 출력 어레이(34)를 다중 처리 빔으로 공간적으로 분리하고, 중심 공구 축 주위에 분포된 처리 출력 어레이(37) 내에 다중 처리 빔을 배열하고, 각각의 빔을 작업 표면(38) 또는 작업 표면(38) 근처의 하나 이상의 처리 스폿에 포커싱하도록 구성되는 광학 시스템(35, 36)을 포함하고,
   광학 시스템(35, 36)은, 다중 처리 빔 사이의 간격이 다중 광섬유 코어 어레이(31)로부터 출력될 때 빔 사이의 간격보다 더 크도록 추가적으로 구성되는, 레이저 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 벌크 광학부(32)를 더 포함하고, 코어 어레이의 각각의 코어는 벌크 광학부(32)에 융합되는, 레이저 처리 시스템.
3. 제1항에 있어서, 코어 어레이(31)의 하나 이상의 코어에 융합되는 적어도 하나의 출력 블록을 더 포함하는, 레이저 처리 시스템.
4. 제1항에 있어서, 출력 블록의 어레이를 더 포함하고, 적어도 코어 어레이(31)의 코어는 출력 블록의 각각에 융합되는, 레이저 처리 시스템.
5. 제1항에 있어서, 공간적으로 분리된 다중-빔 출력은 빔의 방사상 어레이인, 레이저 처리 시스템.
6. 제1항에 있어서, 광학 시스템(36)은 슈바르츠실트 광학 시스템을 포함하는 레이저 처리 시스템.
7. 제1항에 있어서, 광학 시스템(36)은 반사굴절 광학 시스템을 포함하는, 레이저 처리 시스템.
8. 제1항에 있어서, 광학 시스템(36)은 빔 재지향 광학 시스템을 포함하는, 레이저 처리 시스템.
9. 제1항에 있어서, 광학 시스템(36)은 비구면 반사기를 포함하는, 레이저 처리 시스템.
10. 제1항에 있어서, 광학 시스템(36)은 빔 회전 광학 시스템을 포함하는, 레이저 처리 시스템.
11. 레이저 처리 방법이며,
    다중 광섬유 코어 어레이(31) 내의 다중 레이저 빔을 레이저 처리 헤드로 전파시키는 단계,
    다중 빔 출력 어레이(34)로서 다중 레이저 빔을 출력하는 단계; 및 다중-빔 출력 어레이(34)를 다중 처리 빔으로 공간적으로 분리하고, 다중 처리 빔을 중심 공구 축을 둘러싸는 처리 출력 어레이(37)에 배열하고, 각각의 빔을 작업 표면(38) 또는 작업 표면(38) 부근의 하나 이상의 처리 스폿에 포커싱하도록 구성된 광학 시스템(35, 36) 내에 다중-빔 출력 어레이(34)를 수용하는 단계를 포함하고,
    광학 시스템(35, 36)은, 다중 처리 빔 사이의 간격이 다중 광섬유 코어 어레이(31)로부터 출력될 때 빔 사이의 간격보다 더 크도록 추가적으로 구성되는, 레이저 처리 방법.
12. 제11항에 있어서,
    중심 공구(39) 축을 따르는 재료 공급 메커니즘을 제공하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
13. 제11항에 있어서,
    중심 공구(39) 축을 따라 작업 표면(38)에 충전재 와이어 스톡을 공급하는 단계,
    작업 표면(38)과 와이어 스톡 중 하나 이상을 처리 스폿으로 조사하는 단계, 및
    와이어 스톡으로부터의 재료가 작업편에 추가되도록 작업 표면에서 충전재 재료를 용융시키는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
14. 제11항에 있어서,
    중심 공구(39) 축에 충전재 재료를 공급하기 위해 중심 공구(39) 축에 대한 액세스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
15. 제11항에 있어서,
    작업 표면(38)에 대해 제1 방향을 따라 재료를 처리하는 단계, 및
    작업 표면(38)에 대해 제2 방향을 따라 재료를 처리하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
16. 제11항에 있어서,
    작업 표면(38)에 대해 처리 스폿의 어레이를 정렬시키기 위해 다중 처리 빔을 회전시키는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
17. 제11항에 있어서,
    작업 표면(38)에서 처리 방향에 대해 선택된 처리 스폿의 어레이를 정렬시키기 위해 다중 처리 빔의 서브세트를 선택하는 단계를 더 포함하는, 레이저 처리 방법.
18. 다중 빔 레이저 재료 처리 방법이며,
    다중 레이저 빔의 세트의 제1 레이저 빔 내에 적어도 하나의 레이저 파라미터를 설정하는 단계,
    다중 광섬유 코어 어레이(31) 내의 다중 레이저 빔의 세트를 레이저 처리 헤드로 전파시키는 단계,
    다중 레이저 빔을 다중 빔 출력 어레이(34)로서 출력하는 단계,
    다중-빔 출력 어레이(34)를 다중 처리 빔으로 공간적으로 분리하고, 중심 공구 축을 둘러싸는 처리 출력 어레이(37)에 다중 처리 빔을 배열하고, 각각의 빔을 작업 표면(38) 또는 작업 표면(38) 근처의 하나 이상의 처리 스폿에 포커싱하도록 구성되는 광학 시스템(35, 36) 내에 다중-빔 출력 어레이(34)를 수용하는 단계로서, 광학 시스템(35, 36)은, 다중 처리 빔 사이의 간격이 다중 광섬유 코어 어레이(31)로부터 출력될 때 빔 사이의 간격보다 더 크도록 추가적으로 구성되는, 단계, 및
    다중 레이저 빔의 세트로 작업 표면(38)에서 재료를 처리하는 단계를 포함하는, 다중 빔 레이저 재료 처리 방법.
19. 제18항에 있어서, 제1 빔 내의 레이저 파워를 제2 빔 내의 레이저 파워와 상이하게 설정하는 단계를 더 포함하는, 다중 빔 레이저 재료 처리 방법.
20. 제18항에 있어서,
    중심 공구(39) 축을 따르는 재료 공급 메커니즘을 제공하는 단계를 더 포함하는, 다중 빔 레이저 재료 처리 방법.
    

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