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KR102747524B1 - Additive manufacturing system with addressable laser array and real-time feedback control for each source - Google Patents

Additive manufacturing system with addressable laser array and real-time feedback control for each source Download PDF

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KR102747524B1
KR102747524B1 KR1020217009277A KR20217009277A KR102747524B1 KR 102747524 B1 KR102747524 B1 KR 102747524B1 KR 1020217009277 A KR1020217009277 A KR 1020217009277A KR 20217009277 A KR20217009277 A KR 20217009277A KR 102747524 B1 KR102747524 B1 KR 102747524B1
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additive manufacturing
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마크 제디커
매튜 실바 사
진-미셸 펠라프라트
매튜 피너프
로버트 디. 프리츠
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누부루 인크.
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Abstract

레이저 소스의 그룹을 조합된 레이저 빔에 조합하기 위한 조립체가 제공된다. 청색 레이저 다이오드 조립체로부터의 레이저 빔을 조합하는 청색 다이오드 레이저 어레이가 추가로 제공된다. 레이저 다이오드 어레이 및 모듈로부터의 조합된 청색 레이저 빔을 사용하는 레이저 처리 작업 및 애플리케이션이 제공된다.An assembly is provided for combining a group of laser sources into a combined laser beam. A blue diode laser array is further provided for combining laser beams from blue laser diode assemblies. Laser processing operations and applications using the combined blue laser beam from the laser diode array and modules are provided.

Description

주소지정 가능한 레이저 어레이 및 각각의 소스에 대한 실시간 피드백 제어를 갖춘 적층 제작 시스템Additive manufacturing system with addressable laser array and real-time feedback control for each source

본 출원은 (i) 35 U.S.C.§119(e)(1) 하에서 2018년 9월 1일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/726,234 호의 출원일의 이득 및 우선권의 이득을 주장하며, 그 전체 개시는 본 출원에 원용에 의해 포함된다.This application claims the benefit of and priority under 35 U.S.C. §119(e)(1) to U.S. Provisional Application Serial No. 62/726,234, filed September 1, 2018, the entire disclosure of which is incorporated by reference herein.

본 발명은 레이저 빔을 조합하기 위한 어레이 조립체, 특히 제작, 제조, 엔터테인먼트, 그래픽, 이미징, 분석, 모니터링, 조립, 치과 및 의료 분야의 시스템 및 애플리케이션에 사용하기 위한 고휘도 레이저 빔을 제공할 수 있는 어레이 조립체에 관한 것이다.The present invention relates to an array assembly for combining laser beams, and more particularly to an array assembly capable of providing high brightness laser beams for use in systems and applications in the fields of fabrication, manufacturing, entertainment, graphics, imaging, analysis, monitoring, assembly, dentistry and medicine.

많은 레이저, 특히 레이저 다이오드와 같은 반도체 레이저는 휘도를 포함한, 매우 바람직한 파장 및 빔 품질을 갖는 레이저 빔을 제공한다. 이들 레이저는 가시 범위, UV 범위, IR 범위 및 이들의 조합뿐만 아니라, 더 높거나 낮은 파장의 파장들을 가질 수 있다. 반도체 레이저뿐만 아니라, 다른 레이저 소스(예를 들어, 섬유 레이저)의 기술은 새로운 레이저 소스가 지속적으로 개발되고 기존 및 새로운 레이저 파장을 제공하면서 빠르게 발전하고 있다. 바람직한 빔 품질을 갖지만, 이들 레이저 중 다수는 특정 애플리케이션 분야에 바람직하거나 필요한 것보다 낮은 레이저 출력을 가진다. 따라서 이들 저출력은 이들 레이저 소스가 더 큰 유틸리티(utility) 및 상업적 애플리케이션을 제공하는 것을 방해한다.Many lasers, particularly semiconductor lasers such as laser diodes, provide laser beams having highly desirable wavelengths and beam qualities, including brightness. These lasers can have wavelengths in the visible range, UV range, IR range, and combinations thereof, as well as higher or lower wavelengths. In addition to semiconductor lasers, the technology of other laser sources (e.g., fiber lasers) is rapidly evolving, with new laser sources continually being developed and offering both existing and new laser wavelengths. While having desirable beam qualities, many of these lasers have lower laser power than is desirable or necessary for certain applications. This low power therefore prevents these laser sources from providing greater utility and commercial applications.

또한, 이들 유형의 레이저를 조합하려는 이전의 노력은 일반적으로, 다른 이유들 중에서도 빔 정렬의 어려움, 적용 중 빔 정렬 유지의 어려움, 빔 품질의 손실, 레이저 소스, 크기 고려 사항 및 전원 관리의 특수 배치의 어려움 등으로 인해 부적절했다.Additionally, previous efforts to combine these types of lasers have generally been inadequate due to, among other reasons, difficulties in beam alignment, difficulty in maintaining beam alignment during application, loss of beam quality, special placement of the laser source, size considerations, and power management.

갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner)를 사용하는 적외선(IR) 기반(예를 들어, 파장이 700 nm 초과, 특히 1,000 nm 초과) 적층 제조 시스템은 무엇보다도, 빌드 체적(build volume) 및 빌드 속도를 제한하는 두 가지 단점을 겪는다. 이들 IR 레이저 시스템에서, 빌드 체적은 스캐닝 시스템의 유한 크기 및 주어진 초점 길이의 시준기(collimator) 및 f-세타 렌즈(f-theta lens)에 대해 생성될 수 있는 스폿(spot)에 의해 제한된다. 예를 들어 140 mm 초점 길이의 시준기와 500 mm F-θ 초점 길이의 렌즈를 사용할 때, 1 ㎛ 레이저에 대한 스폿 크기는 근 회절 제한 단일 모드 레이저에 대해 약 40 ㎛이다. 이는 빌드될 수 있는 부품 크기에 대한 제한인 약 175 mm x 175 mm인 분말 층에 주소지정 가능한 풋 프린트(foot print)를 제공한다. IR 레이저 시스템의 빌드 속도에 대한 제 2 제한은 분말 재료에 의한 레이저 빔의 흡수이다. 대부분의 원료 재료는 적외선 스펙트럼의 파장에 대해 적절한 반사율 내지 높은 반사율을 가진다. 결과적으로, 적외선 레이저 에너지를 분말 층에 커플링(coupling)하는 것은 에너지의 상당 부분이 분말 층으로 반사되거나 후방 또는 더 깊숙이 반사되는 것에 의해 제한된다. 이들 제한은 한층 더 결속되거나 서로 연결되어, IR 적층 시스템의 문제와 결함을 더욱 악화시킨다. 따라서 적외선의 유한 투과 깊이는 최적의 층 두께를 결정하고 결과적으로 공정의 해상도와 속도를 제한한다. IR 기반 제작 및 빌드 시스템과 공정의 이들 결함과 기타 결함은 적절하게 해결되지 않았다. 따라서 적층 제작 시스템과 공정의 개선에 대한 오랫동안 느꼈던 요구가 충족되지 못했다.Infrared (IR)-based (e.g., wavelengths greater than 700 nm, and especially greater than 1,000 nm) additive manufacturing systems using a galvanometer scanner suffer from two drawbacks, above all else: limiting build volume and build speed. In these IR laser systems, the build volume is limited by the finite size of the scanning system and the spot that can be produced for a given focal length collimator and f-theta lens. For example, when using a collimator with a focal length of 140 mm and a lens with a F-θ focal length of 500 mm, the spot size for a 1 μm laser is about 40 μm for a near-diffraction limited single mode laser. This provides an addressable footprint in the powder layer of about 175 mm x 175 mm, which is a limitation on the part size that can be built. A second limitation on the build speed of IR laser systems is the absorption of the laser beam by the powder material. Most raw materials have moderate to high reflectivity for wavelengths in the infrared spectrum. As a result, the coupling of infrared laser energy into the powder layer is limited by the fact that a significant portion of the energy is reflected into the powder layer or back or deeper. These limitations are further compounded or interconnected, further exacerbating the problems and defects of IR additive systems. The finite penetration depth of IR thus determines the optimal layer thickness and consequently limits the resolution and speed of the process. These and other defects of IR-based fabrication and build systems and processes have not been adequately addressed. Thus, a long-held need for improvements in additive fabrication systems and processes has not been met.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "청색 레이저 빔(blue laser beam)", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 400 nm 내지 500 nm 및 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔, 또는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 청색 레이저는 450 nm, 약 450 nm, 460 nm, 약 460 nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10 pm 내지 약 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm 뿐만 아니라 더 크고 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.As used herein, unless explicitly stated otherwise, the terms "blue laser beam", "blue laser" and "blue" are to be given their broadest meaning and generally refer to a laser beam, or a system providing light, for example a propagating laser beam, laser beams, laser sources, for example lasers and diode lasers, having a wavelength of from about 400 nm to about 500 nm and generally from about 400 nm to about 500 nm. Blue lasers include wavelengths of 450 nm, about 450 nm, 460 nm and about 460 nm. Blue lasers can have bandwidths of from about 10 pm to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm and about 20 nm as well as greater and smaller values.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "UV", "자외선", "UV 스펙트럼", "스펙트럼의 UV 부분" 및 유사한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 약 10 nm 내지 약 400 nm 및 10 nm 내지 400 nm 파장의 광을 포함할 것이다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms “UV,” “ultraviolet,” “UV spectrum,” “UV portion of the spectrum” and similar terms are to be accorded their broadest meaning and include light with wavelengths from about 10 nm to about 400 nm and from 10 nm to 400 nm.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "가시광", "가시 스펙트럼", "스펙트럼의 가시 부분" 및 유사한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 약 380 nm 내지 약 750 nm 및 400 nm 내지 700 nm 파장의 광을 포함할 것이다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms “visible light”, “visible spectrum”, “visible portion of the spectrum” and similar terms are to be accorded their broadest meaning and shall include light with wavelengths from about 380 nm to about 750 nm and from 400 nm to 700 nm.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색(green)"이라는 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 500 nm 내지 700 nm, 약 500 nm 내지 약 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔, 또는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 녹색 레이저는 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm 및 약 550 nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm 뿐만 아니라 더 크고 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "green laser beam", "green laser" and "green" are to be given their broadest meaning and generally refer to a laser beam, or a system providing light, e.g., a propagating laser beam, laser beams, laser sources, e.g., lasers and diode lasers, having a wavelength of from about 500 nm to 700 nm, such as from about 500 nm to about 700 nm. Green lasers include wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm and about 550 nm. Green lasers can have bandwidths of about 10 pm to 10 nm, about 5 nm, about 10 nm and about 20 nm as well as greater and smaller values.

일반적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "약" 및 기호 "~"는 달리 명시되지 않는 한, ± 10%의 편차 또는 범위, 명시된 값을 얻는 것과 관련된 실험 또는 기기 오류, 그리고 바람직하게 이들 중 더 큰 값을 포함하는 의미이다.In general, as used herein, the term "about" and the symbol "~", unless otherwise specified, are meant to include a deviation or range of plus or minus 10%, experimental or instrumental error associated with obtaining the stated value, and preferably whichever is greater.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 실온은 25 ℃이다. 그리고 표준 주위 온도 및 압력은 25 ℃ 및 1 기압이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성, 및 온도 의존성, 압력 의존성 또는 둘 다인 값은 표준 주변 온도 및 압력에서 제공되며, 여기에는 점도가 포함될 수 있다.As used herein, unless otherwise stated, room temperature is 25 °C. And standard ambient temperature and pressure are 25 °C and 1 atm. Unless otherwise explicitly stated, all tests, test results, physical properties, and values which are temperature dependent, pressure dependent, or both are provided at standard ambient temperature and pressure, which may include viscosity.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 본 명세서의 값 범위의 인용은 단지, 범위 내에 속하는 각각의 별도 값을 개별적으로 지칭하는 약식 방법으로서 역할을 하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한, 범위 내의 각각의 개별 값은 마치 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다.Unless otherwise specified, references to ranges of values in this specification, as used herein, are merely intended to serve as a shorthand method of referring individually to each separate value falling within the range. Unless otherwise indicated herein, each individual value within the range is incorporated into the specification as if it were individually recited herein.

전형적으로, 적층 제작에 사용되는 방법은 적외선 레이저 및 검류계(galvanometer)를 사용하여 미리 결정된 패턴으로 분말 층의 표면을 가로질러 레이저 빔을 스캔하는 것이다. IR 레이저 빔은 액화 분말을 용융시켜 하층 또는 기판에 융합시키는 키홀 용접 공정(keyhole welding process)을 생성하는데 충분한 세기이다. 이러한 접근 방식은 공정의 속도를 결정하는 여러 제한사항을 가진다. 예를 들어, 단일 레이저 빔이 표면을 스캔하는데 사용되며 빌드 속도는 검류계의 최대 스캔 속도(7 m/초)에 의해 제한된다. 제조업자는 IR 기술을 강력하게 수용하고, 전형적으로 이것이 유일한 실행 가능한 파장이라고 믿고 있으며, 따라서 두 개 이상의 IR 레이저/검류계를 시스템에 통합하여 이러한 한계를 극복하기 위해 작동하지만, 둘은 함께 작동하여 단일 부품을 빌드하거나 독립적으로 작동하여 부품을 병렬로 빌드할 수 있다. 이들 노력은 적층 제작 시스템의 처리량을 개선하는 목적이 있지만, IR에만 초점을 맞추고 있으며 개선된 적층 제작에 대한 오랜 요구를 충족시키지 못하고 제한적인 성공만을 이루었다.Typically, the method used in additive manufacturing uses an infrared laser and a galvanometer to scan a laser beam across the surface of a powder layer in a predetermined pattern. The IR laser beam is powerful enough to melt the liquefied powder and create a keyhole welding process that fuses it to the underlying layer or substrate. This approach has several limitations that determine the speed of the process. For example, a single laser beam is used to scan the surface, and the build speed is limited by the maximum scan speed of the galvanometer (7 m/s). Manufacturers have embraced IR technology strongly, typically believing that this is the only viable wavelength, and have therefore worked to overcome these limitations by incorporating two or more IR lasers/galvanometers into a system, which can be operated together to build a single part, or independently to build parts in parallel. These efforts are aimed at improving the throughput of additive manufacturing systems, but have met with limited success, focusing solely on IR and failing to meet the long-standing need for improved additive manufacturing.

IR 처리의 다른 제한의 예는 IR 레이저/검류계 시스템에 의해 다루어질 수 있는 유한 체적이다. 고정식 헤드 시스템에서, 빌드 체적은 f-세타 렌즈의 초점 거리, 검류계의 스캐닝 각도, IR 레이저의 파장 및 적외선 레이저의 빔 품질에 의해 정의된다. 예를 들어, 500 mm F-세타 렌즈를 사용하는 IR 레이저는 회절 제한 적외선 레이저에 대해 40 내지 50 ㎛ 정도의 스폿 크기를 생성한다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력으로 작동하는 경우, 빔의 세기는 키홀 용접 모드를 개시하는데 필요한 세기보다 더 크다. 키홀 용접 모드는 크로스 제트(cross jet)에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 증발 재료의 기둥을 생성하거나, 그렇지 않으면 레이저 빔은 증발 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한, 용접의 키홀 모드가 기화 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 생성하는 것에 의존하기 때문에, 기화 금속 이외의 재료가 키홀에서 방출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터(spatter)로서 지칭되며 최종 부품에 결함을 유도할 수 있는 용융 재료가 빌드 평면의 다른 곳에 증착되게 한다. 적층 제작 시스템 제조업자가 급속 프로토타이핑 기계(rapid prototyping machine)를 개발하는데 일부 제한적인 성공을 거두었지만, 이들은 오랫동안 느꼈던 요구사항을 충족시키고 상업용 또는 실제 부품을 대량으로 제조하는데 필요한 요구사항을 달성하는데 실패했다. 이를 달성하기 위해, 본 발명 이전에 기술을 달성하지 못한 부품 패턴화 방법의 돌파구가 달성되지 못했다.Another limitation of IR processing is the finite volume that can be addressed by the IR laser/galvanometer system. In a fixed head system, the build volume is defined by the focal length of the f-theta lens, the scanning angle of the galvanometer, the wavelength of the IR laser, and the beam quality of the IR laser. For example, an IR laser using a 500 mm F-theta lens produces a spot size of the order of 40 to 50 μm for a diffraction limited IR laser. When the laser beam is operating at 100 W optical power, the intensity of the beam is greater than that required to initiate a keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a plume of vaporized material that must be removed from the path of the laser beam by the cross jet, or else the laser beam is scattered and absorbed by the vaporized metal. In addition, since the keyhole mode of welding relies on creating a hole in the liquid metal surface maintained by the vapor pressure of the vaporized metal, material other than the vaporized metal can be ejected from the keyhole. These materials are referred to as spatter and cause molten material to be deposited elsewhere on the build plane, which can cause defects in the final part. While additive manufacturing system manufacturers have had some limited success in developing rapid prototyping machines, they have failed to meet the long-held need and achieve the requirements for mass production of commercial or practical parts. To achieve this, a breakthrough in part patterning methods that had not been achieved prior to the present invention has not been achieved.

일반적으로, IR 처리 및 시스템의 문제점 및 실패는 키홀 용접 모드에서 분말을 융합하기 위한 요구사항 또는 필요성이다. 이는 전형적으로 분말을 처리하기 위해 단일 빔을 사용하기 때문일 수 있다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력으로 작동하는 경우, 빔의 세기는 키홀 용접 모드를 개시하는데 필요한 세기보다 더 크다. 키홀 용접 모드는 크로스 제트에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 증발 재료의 기둥을 생성하거나, 그렇지 않으면 레이저 빔이 증발 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한, 용접의 키홀 모드가 기화 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 생성하는 것에 의존하기 때문에, 기화 금속과 같은 재료가 키홀에서 방출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터로서 지칭되며 최종 부품에 결함을 유도할 수 있는 용융 재료가 빌드 평면의 다른 곳에 증착되게 한다.In general, the problem and failure of IR processing and systems is the requirement or need to fuse the powder in keyhole welding mode. This may be because a single beam is typically used to process the powder. When the laser beam is operating at 100 watts of optical power, the intensity of the beam is greater than that required to initiate keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a plume of vaporized material that must be removed from the path of the laser beam by the cross jet, or else the laser beam is scattered and absorbed by the vaporized metal. Additionally, since the keyhole mode of welding relies on creating a hole in the liquid metal surface maintained by the vapor pressure of the vaporized metal, material such as the vaporized metal may be ejected from the keyhole. This material is referred to as spatter and causes molten material to be deposited elsewhere on the build plane, which can cause defects in the final part.

광학적으로 활성화된 광 밸브(OALV)를 사용하는 Lawrence Livermore National Laboratories의 최근 연구는 이들 IR 한계를 해결하기 위해 시도되었다. OALV는 고출력 레이저를 사용하여 광 패턴을 생성하는데 사용되는 고출력 공간 광 변조기(high-power spatial light modulator)이다. OALV의 패턴이 프로젝터의 청색 LED 또는 레이저 소스로 생성되지만, 4 개의 레이저 다이오드 어레이의 출력 전력은 공간 광 변조기를 통해 전송되고 이미지를 융점까지 가열하는데 사용되며 키홀 용접을 개시하기 위해 IR 레이저가 필요하다. IR 레이저는 특히, 구리 또는 알루미늄 재료를 융합할 때 용접을 개시하기 위해 키홀 모드에서 사용된다. 이러한 키홀 용접 공정은 스패터, 부품에 다공성뿐만 아니라 높은 표면 거칠기를 생성할 수 있고, 일반적으로 이들 재료에 필요하다. 따라서 전형적인 IR 시스템과 마찬가지로 OALV 시스템은 빌드 공정의 키홀 개시로 인한 악영향을 제거하지 못한다. 키홀 용접 단계를 완전히 피하는 것이 더 양호하지만, 이러한 문제를 극복하는데 실패했고 이러한 해결책을 제공하지 못했다. 이러한 실패는 주로 IR 파장에서 많은 금속의 흡수 특성이 너무 낮아 공정을 개시하는데 높은 피크 파워 레이저가 필요하기 때문에 발생했다. OALV가 스펙트럼의 IR 영역에서만 투명하기 때문에, 가시 레이저 소스를 고 에너지 광원으로 사용하는 이러한 유형의 시스템을 빌드하거나 사용하는 것이 불가능하다. 이러한 시스템의 구성요소 비용은 특히 OALV가 커스텀 구성요소(custom component)일 때 매우 높다.Recent research at Lawrence Livermore National Laboratories using optically activated light valves (OALVs) has attempted to address these IR limitations. An OALV is a high-power spatial light modulator that uses a high-power laser to generate a light pattern. While the pattern of an OALV is generated by a blue LED or laser source in a projector, the output power of an array of four laser diodes is transmitted through the spatial light modulator and used to heat the image to its melting point, which requires an IR laser to initiate the keyhole weld. The IR laser is used in keyhole mode to initiate the weld, particularly when fusing copper or aluminum materials. This keyhole welding process can produce spatter, porosity in the part, and high surface roughness, which is typically required for these materials. Thus, like typical IR systems, the OALV system does not eliminate the detrimental effects of keyhole initiation in the build process. It would be better to completely avoid the keyhole welding step, but this has failed to overcome these issues and has not provided a solution. These failures are mainly due to the fact that the absorption properties of many metals are so low at IR wavelengths that high peak power lasers are required to initiate the process. Since OALVs are transparent only in the IR region of the spectrum, it is impossible to build or use these types of systems using visible laser sources as the high energy light source. The component costs of such systems are very high, especially when the OALV is a custom component.

종래의 금속 기반 적층 제작 기계는 이들이 고온에서의 통합 단계가 이어지는 분말 층에 분사되는 결합제를 기반으로 하거나 검류계 시스템에 의해 고속으로 분말 층 위에서 스캔되는 고출력 단일 모드 레이저 빔을 기반으로 한다는 점에서 매우 제한적이다. 이들 시스템 모두는 기술이 극복할 수 없었던 중대한 퇴보가 있다. 제 1 시스템은 통합 공정 중 부품의 수축으로 인해 공차가 느슨한 부품을 대량으로 제작할 수 있다. 제 2 공정은 사용될 수 있는 최대 출력 레벨 레이저를 제한하는 검류계의 스캔 속도와 결과적으로 빌드 속도에 의해 빌드 속도가 제한된다. 스캐닝 기반 적층 제작 시스템의 구축자(builder)는 이들 문제에 대한 적절한 해결책을 제공하지 못한 다중 스캔 헤드와 레이저 시스템을 갖춘 빌드 기계에 의해 이러한 한계를 극복하기 위해 노력했다. 이는 실제로 처리량을 증가시키지만, 스케일링 법칙(scaling law)은 선형이다. 즉, 두 개의 레이저 스캐너를 갖춘 시스템은 하나의 스캐너를 사용하는 시스템보다 부품을 두 배 많이 빌드하거나 단일 부품을 두 배 빠르게 빌드할 수 있다. 따라서 현재 이용 가능한 시스템의 한계를 겪지 않는 높은 처리량의 레이저 기반 금속용 적층 제작 시스템이 필요하다.Conventional metal-based additive manufacturing machines are very limited in that they are based on either a binder sprayed onto a powder layer followed by a high temperature consolidation step or a high power single mode laser beam scanned over the powder layer at high speed by a galvanometer system. Both of these systems have significant drawbacks that the technology has been unable to overcome. The first system can produce parts with loose tolerances in large quantities due to shrinkage of the part during the consolidation process. The second process is limited in build speed by the galvanometer scan speed, which limits the maximum power level laser that can be used, and consequently the build speed. Builders of scan-based additive manufacturing systems have attempted to overcome these limitations by building machines with multiple scan heads and laser systems, which have not provided an adequate solution to these problems. This does indeed increase throughput, but the scaling law is linear. That is, a system with two laser scanners can build twice as many parts or build a single part twice as fast as a system using a single scanner. Therefore, there is a need for a high throughput laser-based additive manufacturing system for metal that does not suffer from the limitations of currently available systems.

본 발명의 배경 섹션은 본 발명의 실시예와 관련될 수 있는 본 기술의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 섹션에서 전술한 논의는 본 발명을 더 잘 이해하기 위한 체계를 제공하며, 종래 기술의 인정으로 간주되어서는 안 된다.The Background section of the present invention is intended to introduce various aspects of the present technology that may be related to embodiments of the present invention. Accordingly, the discussion set forth in this section provides a framework for better understanding the present invention and should not be considered an admission of prior art.

휘도 및 출력과 같은 원하는 빔 품질을 유지하고 향상시키면서 다중 레이저 빔 소스를 단일 또는 다수의 레이저 빔으로 조합하기 위한, 무엇보다도 조립체 및 시스템에 대한 오래 지속되고 충족되지 않은 요구가 있었다. 본 발명은 무엇보다도, 본 명세서에서 교시되고 개시된 제작 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이들 요구를 해결한다.There has been a long-standing and unmet need for, among other things, assemblies and systems for combining multiple laser beam sources into a single or multiple laser beams while maintaining and improving desired beam qualities such as brightness and power. The present invention addresses these needs by, among other things, providing articles of manufacture, devices and processes as taught and disclosed herein.

본 발명의 실시예는 정밀 갠트리 시스템(gantry system)을 사용하여 단계별 반복 능력으로 분말을 병렬 방식으로 직접 융합할 수 있는 레이저 빔의 1-D 또는 2-D 어레이를 기반으로 하는 적층 제작 시스템(도 1, 도 2, 도 3)이다. 1-D 또는 2-D 2차 레이저 빔을 추가하여 예열하고 냉각을 제어함으로써 속도가 증가될 수 있다(도 4). 이러한 2차 레이저는 또한, 주소지정 가능한 레이저 빔 어레이가 되어 빌드되는 패턴과 일치하는 예열 패턴을 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention is an additive manufacturing system (FIGS. 1, 2, 3) based on a 1-D or 2-D array of laser beams capable of directly fusion of powders in a parallel manner with step-by-step repeatability using a precision gantry system. The speed can be increased by adding a 1-D or 2-D secondary laser beam to preheat and control cooling (FIG. 4). This secondary laser can also be an addressable laser beam array to provide a preheat pattern that matches the pattern being built.

본 발명의 실시예의 다른 요소는 열 화상 카메라와 같은 실시간 온도 모니터링 카메라의 사용이다. 카메라는 분말 층이 고체로부터 액체로 전환될 때 분말 층의 온도를 실시간으로 모니터링하는데 사용될 수 있으며 카메라의 이미지는 적용될 레이저 패턴과 상관될 수 있으며 개별 레이저 빔의 출력 레벨은 인쇄된 부분의 적절한 융합 및 냉각을 제공하기 위해 미리 결정된 요구사항에 따라 조정될 수 있다. 이러한 폐쇄 루프 온도 제어는 제조되는 부품의 다공성을 최소화할 뿐만 아니라 표면 거칠기를 최적화하고 부품 내의 잔류 응력을 최소화하는 것과 같은 추가 이점을 제공한다.Another element of an embodiment of the present invention is the use of a real-time temperature monitoring camera, such as a thermal imaging camera. The camera can be used to monitor the temperature of the powder layer in real time as it transitions from a solid to a liquid, and the image of the camera can be correlated to the laser pattern to be applied, and the power levels of the individual laser beams can be adjusted according to predetermined requirements to provide adequate fusion and cooling of the printed part. This closed loop temperature control not only minimizes porosity in the manufactured part, but also provides additional benefits such as optimizing surface roughness and minimizing residual stresses within the part.

본 발명의 실시예에서, 분말 층의 다공성을 최소화하기 위해 분말 층을 압축할 뿐만 아니라 인쇄 공정 동안 어느 방향으로든 실시간으로 분말을 증착하는 수단이 포함된다. 분말을 용융시키고 융합시키는 주요 메커니즘은 전도 모드 용접과 키홀 모드 용접이 사용되는 갈보 스캔 시스템(galvo scanned system)이다. 이 접근방식은 제작 부품의 창(window)과 광학 장치를 보호하기 위한 스패터(spatter)와 요구사항을 최소화한다.In an embodiment of the present invention, a means is included to compact the powder layer to minimize porosity of the powder layer, as well as to deposit the powder in real time in any direction during the printing process. The primary mechanism for melting and fusing the powder is a galvo scanned system using conduction mode welding and keyhole mode welding. This approach minimizes spatter and the requirement to protect windows and optics of the manufactured part.

실시예에서, 본 발명은 무산소 환경을 형성하기 위한 밀봉된 인클로저(sealed enclosure) 및 사용되는 가스 혼합물을 연속적으로 세정하는 가스를 위한 재순환 시스템을 포함한다. 가스 혼합물의 여과는 환경으로부터 제거되지 않으면 이미지 품질에 영향을 미치고 결과적으로 빌드되는 부품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 공기 중의 분말과 용접 연기 때문에 필요하다.In an embodiment, the present invention includes a sealed enclosure for forming an oxygen-free environment and a recirculation system for the gas that continuously cleans the gas mixture used. Filtration of the gas mixture is necessary because of airborne dust and welding fumes that, if not removed from the environment, can affect image quality and consequently the quality of the parts being built.

실시예에서, 본 발명은 예비-빌드 분석을 수행하고, 부품을 슬라이스로 분할하고, 최적의 빌드 전략을 수행하는 마이크로 처리 시스템을 포함한다. 부품 패턴의 각각의 부분이 인쇄될 때, 갠트리 시스템은 패턴의 다음 인접 부품으로 이동하거나, 빌드 전략이 부품의 잔류 응력을 최소화하기 위해 부분 패턴의 무작위 인쇄를 요구하는 경우 임의의 무작위 위치로 이동하도록 명령할 수 있다.In an embodiment, the present invention includes a microprocessing system that performs pre-build analysis, slices the part, and performs an optimal build strategy. As each portion of the part pattern is printed, the gantry system can be instructed to move to the next adjacent part in the pattern, or to move to a random random location if the build strategy calls for random printing of the part pattern to minimize residual stress in the part.

실시예에서, 본 발명은 또한, 전파될 때 용접 퍼들(weld puddle)을 관찰하기 위해 단순한 가시 카메라 이외에 용접 모니터를 필요로 하지 않을 것이다. 키홀이 없는 용접 모드가 있기 때문에, 용접 퍼들은 구리와 알루미늄을 용접할 때도 매우 안정적이며, IR 레이저 소스로는 불가능한 일이다. IR 레이저 소스는 OCT(Optical Coherent Tomography: 광 간섭성 단층 촬영) 스캐너와 같은 용접 모니터에 의존하여 키홀의 정확한 표현과 키홀 모드의 불안정성으로 부품 빌드가 진행되는 방식을 얻어야 한다. 분말을 기재에 용접하는 전도 모드가 매우 안정적인 용접 모드이므로, 스패터가 없고 용접된 분말은 두께 및 형상이 매우 균일하며 용접 공정 동안 재료의 기화 부족으로 부품 밀도가 100%이다.In an embodiment, the present invention would also not require a weld monitor other than a simple visible camera to observe the weld puddle as it propagates. Because of the keyhole-less weld mode, the weld puddle is very stable even when welding copper and aluminum, something that would not be possible with an IR laser source. An IR laser source would have to rely on a weld monitor, such as an Optical Coherent Tomography (OCT) scanner, to get an accurate representation of the keyhole and how the part build progresses due to the instability of the keyhole mode. Since the conduction mode of welding the powder to the substrate is a very stable weld mode, there is no spatter, the welded powder is very uniform in thickness and shape, and the part density is 100% due to the lack of vaporization of the material during the welding process.

따라서, 위의 특징 중 하나 이상을 갖는 레이저 시스템, 적층 제작 시스템, 공정 및 레이저 시스템이 제공된다. 다음의 레이저 시스템 및 방법과 조합하여 위의 특징 중 하나 이상을 갖는 적층 제작 시스템, 공정 및 레이저 시스템이 추가로 제공된다.Accordingly, laser systems, additive manufacturing systems, processes and laser systems having one or more of the above features are provided. Additive manufacturing systems, processes and laser systems having one or more of the above features are further provided in combination with the following laser systems and methods.

따라서, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 복수의 레이저 다이오드 조립체; 및 목표 재료로의 전달을 위해 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리-장에서 단일 스폿을 갖는 조합된 레이저 빔을 만들기 위해 개별 청색 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단을 가지며; 각각의 레이저 다이오드 조립체는 레이저 빔 경로를 따라 개별 청색 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 가지며; 개별 청색 레이저 빔을 공간적으로 결합하기 위한 수단은 레이저 빔 경로에서 그리고 각각의 레이저 다이오드와 광학적으로 관련된다.Accordingly, a laser system for performing a laser operation is provided, the system comprising: a plurality of laser diode assemblies; and means for spatially combining the individual blue laser beams to produce a combined laser beam having a single spot in the far-field that can be coupled to an optical fiber for delivery to a target material; each laser diode assembly having a plurality of laser diodes capable of generating an individual blue laser beam along a laser beam path; and the means for spatially combining the individual blue laser beams is optically associated with each of the laser diodes and in the laser beam path.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며: 적어도 3 개의 레이저 다이오드 조립체를 가지며; 각각의 레이저 다이오드 조립체는 적어도 하나의 레이저 다이오드를 가지며; 레이저 다이오드 조립체는 적어도 약 2 와트의 총 전력 및 20 mm mrad 미만의 빔 매개변수 특성을 갖는 레이저 빔을 전파시킬 수 있으며; 빔 매개변수 특성은 15 mm mrad 미만이며; 빔 매개 변수 특성은 10 mm mrad 미만이며; 공간적으로 조합하는 수단은 조합된 레이저 빔을 개별 레이저 빔의 전력 밀도의 N 배로 생성하며; 여기서 N은 레이저 다이오드 조립체의 레이저 다이오드의 수이며; 공간적으로 조합하는 수단은 조합된 레이저 빔의 휘도를 보존하면서 레이저 빔의 출력을 증가시키며; 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔의 전력의 적어도 50 배인 전력을 가지며 조합된 레이저 빔의 빔 매개 변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개 변수 곱의 N 배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 매개변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개변수 곱의 1.5*N 배보다 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 매개 변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개 변수 곱의 1*N 배보다 이하이며; 공간적으로 조합하기 위한 수단은 개별 레이저 빔의 휘도를 보존하면서 복합 레이저 빔의 전력 밀도를 증가시키며; 조합된 레이저 빔은 개별 레이저 빔의 전력의 적어도 100 배인 전력 밀도를 가지며 조합된 레이저 빔의 빔 매개변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개변수 곱의 2*N 배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 매개변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개변수 곱의 1.5*N 배 이하이며; 조합된 레이저 빔의 빔 매개변수 곱은 개별 레이저 빔의 빔 매개변수 곱의 1*N 배 이하이며; 광섬유는 태양화에 저항(solarization resistant)하며; 공간적으로 조합하기 위한 수단은 레이저 다이오드의 위치 오류 또는 포인팅 오류(pointing error) 중 적어도 하나를 보정하기 위해, 정렬 평면 평행 판 및 웨지(wedge)로 구성된 그룹으로부터 선택된 광학 조립체를 가지며; 공간적으로 조합하기 위한 수단은 개별 레이저 빔에 걸쳐 조합된 레이저 빔의 유효 휘도를 증가시킬 수 있는 편광 빔 조합기를 가지며; 레이저 다이오드 조립체는 각각의 경로 사이에 공간을 갖는 개별 레이저 빔 경로를 정의하고, 이에 의해 개별 레이저 빔은 각각의 빔 사이에 공간을 가지며; 공간적으로 조합하기 위한 수단은 레이저 다이오드의 고속 축에서 개별 레이저 빔을 시준하기 위한 시준기, 시준된 레이저 빔을 조합하기 위한 주기적 미러를 가지며, 주기적 미러는 레이저 다이오드 조립체의 제 1 다이오드로부터 제 1 레이저 빔을 반사하고 레이저 다이오드 조립체의 제 2 다이오드로부터 제 2 레이저 빔을 전송하도록 구성되어 고속 방향으로 개별 레이저 빔 사이의 공간이 충전되며; 공간적으로 조합하기 위한 수단은 유리 기판에 패턴화된 미러를 가지며; 유리 기판은 레이저 다이오드들 사이의 빈 공간을 충전하기 위해 레이저 다이오드로부터 레이저 빔의 수직 위치를 이동시키는데 충분한 두께이고; 계단식 히트 싱크(heat sink)를 가진다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features: having at least three laser diode assemblies; each laser diode assembly having at least one laser diode; the laser diode assemblies are capable of propagating a laser beam having a total power of at least about 2 watts and a beam parameter characteristic of less than 20 mm mrad; the beam parameter characteristic of less than 15 mm mrad; the beam parameter characteristic of less than 10 mm mrad; a means for spatially combining generates a combined laser beam having N times the power density of the individual laser beams; where N is the number of laser diodes in the laser diode assembly; the means for spatially combining increases the power of the laser beam while preserving the brightness of the combined laser beam; the combined laser beam has a power that is at least 50 times the power of the individual laser beams and the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1.5*N times the beam parameter product of the individual laser beams; The beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1*N times the beam parameter product of the individual laser beams; the means for spatially combining increases the power density of the composite laser beam while preserving the brightness of the individual laser beams; the combined laser beam has a power density that is at least 100 times the power of the individual laser beams and the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 2*N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1.5*N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is less than or equal to 1*N times the beam parameter product of the individual laser beams; the optical fiber is solarization resistant; the means for spatially combining has an optical assembly selected from the group consisting of alignment plane parallel plates and wedges for correcting at least one of a position error or a pointing error of the laser diode; The means for spatially combining has a polarizing beam combiner capable of increasing the effective brightness of the combined laser beam across the individual laser beams; the laser diode assembly defines individual laser beam paths having a space between each path, whereby the individual laser beams have a space between each of the paths; the means for spatially combining has a collimator for collimating the individual laser beams on the fast axis of the laser diodes, a periodic mirror for combining the collimated laser beams, the periodic mirror being configured to reflect a first laser beam from a first diode of the laser diode assembly and to transmit a second laser beam from a second diode of the laser diode assembly such that the space between the individual laser beams is filled in the fast direction; the means for spatially combining has a mirror patterned on a glass substrate; the glass substrate is sufficiently thick to shift the vertical position of the laser beams from the laser diodes to fill the voids between the laser diodes; and has a stepped heat sink.

또한, 고휘도, 고출력 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 복수의 레이저 다이오드 조립체; 및 최종 휘도를 갖는 조합된 레이저 빔을 만들고 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리 장에서 단일 스폿을 형성하기 위해 청색 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단을 가지며; 각각의 레이저 다이오드 조립체는 초기 휘도를 갖는 청색 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 가지며; 각각의 레이저 다이오드는 조합된 레이저 빔의 휘도를 실질적으로 증가시키기 위해 외부 공동에 의해 상이한 파장으로 고정되며, 조합된 레이저 빔의 최종 휘도는 단일 레이저 다이오드로부터 레이저 빔의 초기 휘도와 거의 동일하다.Also provided is a laser system for providing a high brightness, high power laser beam, the system comprising: a plurality of laser diode assemblies; and means for spatially combining blue laser beams to produce a combined laser beam having a final brightness and forming a single spot in the far field that can be coupled to an optical fiber; wherein each laser diode assembly has a plurality of laser diodes capable of producing a blue laser beam having an initial brightness; and wherein each of the laser diodes is locked to a different wavelength by an external cavity to substantially increase the brightness of the combined laser beam, the final brightness of the combined laser beam being substantially equal to the initial brightness of a laser beam from a single laser diode.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며: 여기서 각각의 레이저 다이오드는 격자를 기반으로 한 외부 공동을 사용하여 단일 파장으로 고정되고 각각의 레이저 다이오드 조립체는 좁은 간격의 광학 필터 및 격자로 구성된 그룹에서 선택된 조합 수단을 사용하여 조합된 빔에 조합되며; 라만 변환기(Raman convertor)는 더 높은 휘도 소스를 생성하는 외부 코어 및 청색 펌프 광을 함유하는 중앙 코어보다 더 큰 외부 코어를 갖춘 GeO2 도핑된 중앙 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 더 높은 휘도 소스를 생성하는 P2O5 도핑된 코어 및 청색 펌프 광을 함유하기 위해 중앙 코어보다 큰 외부 코어를 가지며; 라만 변환기는 더 높은 휘도 소스를 생성하기 위한 등급화된 인덱스 코어 및 청색 펌프 광을 함유하는 중앙 코어보다 큰 외부 코어를 가지는 광섬유이며; 라만 변환기는 등급화된 인덱스 GeO2 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어이며; 라만 변환기는 등급화된 인덱스 P2O5 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 등급화된 인덱스 GeO2 도핑된 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되며; 라만 변환기는 등급화된 인덱스 P2O5 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어이며; 라만 변환기는 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위한 다이아몬드이며; 라만 변환기는 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위한 KGW이며; 라만 변환기는 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하는 YVO4이며; 라만 변환기는 더 높은 휘도 레이저 소스를 생성하기 위한 Ba(NO3)2이며; 라만 변환기는 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위한 고압 가스이다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features: wherein each of the laser diodes is locked to a single wavelength using an external cavity based on a grating, and wherein each of the laser diode assemblies is combined into a combined beam using a combining means selected from the group consisting of narrowly spaced optical filters and gratings; a Raman convertor is used to pump the Raman converter, such as an optical fiber having a GeO 2 doped central core with an outer core larger than the central core containing the blue pump light and an outer core that produces a higher brightness source; the Raman converter has a P 2 O 5 doped core that produces a higher brightness source and an outer core larger than the central core to contain the blue pump light; the Raman converter is an optical fiber having a graded index core for producing a higher brightness source and an outer core larger than the central core containing the blue pump light; the Raman converter is a graded index GeO 2 doped core and an outer stepped index core; The Raman converter is used to pump the Raman converter fiber which is a graded index P2O5 doped core and an outer step index core; the Raman converter is used to pump the Raman converter fiber which is a graded index GeO2 doped core; the Raman converter is a graded index P2O5 doped core and an outer step index core; the Raman converter is a diamond for generating a higher brightness laser source; the Raman converter is a KGW for generating a higher brightness laser source; the Raman converter is YVO4 for generating a higher brightness laser source; the Raman converter is Ba( NO3 ) 2 for generating a higher brightness laser source; the Raman converter is a high pressure gas for generating a high brightness laser source.

또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 각각 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 갖는 복수의 레이저 다이오드 조립체; 및 라만 변환기에 광학적으로 커플링될 수 있는 원거리 장에서 단일 지점을 갖는 조합된 레이저 빔을 만들고, 라만 변환기를 펌핑하고, 조합된 레이저 빔의 휘도를 증가시키기 위해 청색 레이저 빔을 공간적으로 조합하는 수단을 가진다.Also provided is a laser system for performing a laser operation, the system comprising a plurality of laser diode assemblies, each of the plurality of laser diodes capable of generating a blue laser beam along a laser beam path; and means for spatially combining the blue laser beams to create a combined laser beam having a single point in the far field that can be optically coupled to a Raman converter, pumping the Raman converter, and increasing the brightness of the combined laser beam.

또한, 조합된 레이저 빔을 제공하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 개별적인 상이한 파장에서 청색 레이저 빔을 생성하고 레이저 빔을 조합하여 원천 소스의 공간 휘도를 유지하면서 더 높은 전력 소스를 생성하기 위한 라만 변환기 레이저의 어레이를 가진다.Also provided is a method of providing a combined laser beam, the method comprising an array of Raman converter lasers generating blue laser beams at individual different wavelengths and combining the laser beams to produce a higher power source while maintaining the spatial brightness of the original source.

또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 각각 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 레이저 다이오드를 갖는 복수의 레이저 다이오드 조립체; 레이저 빔 경로를 따라 광학 장치를 시준하고 조합하는 빔; 및 조합된 레이저 빔을 수용하기 위한 광학 섬유를 가진다.Also provided is a laser system for performing a laser operation, the system having a plurality of laser diode assemblies, each of which has a plurality of laser diodes capable of generating a blue laser beam along a laser beam path; a beam collimating and combining optical devices along the laser beam path; and an optical fiber for receiving the combined laser beam.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며; 여기서 광섬유는 희토류 도핑된 섬유와 광통신하며, 이에 의해 조합된 레이저 빔은 희토류 도핑된 섬유를 펌핑하여 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성할 수 있으며; 광섬유는 휘도 변환기의 외부 코어와 광통신하며, 이에 의해 조합된 레이저 빔은 휘도 변환기의 외부 코어를 펌핑하여 더 높은 비율의 휘도 개선을 생성할 수 있다.Also provided are methods and systems having one or more of the following features: wherein the optical fiber is in optical communication with the rare-earth doped fiber, whereby the combined laser beam can pump the rare-earth doped fiber to produce a higher brightness laser source; and wherein the optical fiber is in optical communication with the outer core of the brightness converter, whereby the combined laser beam can pump the outer core of the brightness converter to produce a higher ratio of brightness enhancement.

또한, 이중 코어 중 하나가 고휘도 중앙 코어인 이중 코어; 및 필터, 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating), 1차 및 2차 라만 신호에 대한 V 수의 차이, 광섬유 길이 또는 공동 미러로 인해 1차 및 2차 라만 신호에 대한 왕복 이득의 차이 및 마이크로 벤드 손실(micro-bend loss)의 차이로 구성된 그룹에서 선택된 고휘도 중앙 코어에서 2차 라만 신호를 억제하는 수단을 가지는 라만 섬유가 제공된다.Also provided is a Raman fiber having a dual core, one of which is a high-brightness central core; and a means for suppressing a second-order Raman signal in the high-brightness central core, wherein the means is selected from the group consisting of a filter, a fiber Bragg grating, a difference in V number for first- and second-order Raman signals, a difference in round-trip gain for first- and second-order Raman signals due to a length of the fiber or a cavity mirror, and a difference in micro-bend loss.

또한, 제 2 고조파 생성 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 제 1 파장의 절반 파장에서 비선형 결정체(crystal)에서 광을 생성하는 제 1 파장의 라만 변환기; 및 절반 파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 방지하도록 구성된 외부 공진 이중 결정체를 가진다.Also provided is a second harmonic generating system, the system having a first wavelength Raman converter that generates light in a nonlinear crystal at half wavelength of the first wavelength; and an external resonant double crystal configured to prevent the half wavelength light from propagating through the optical fiber.

더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 방법 및 시스템이 제공되며: 여기서, 제 1 파장은 약 460 nm이고; 외부 공진 더블링 결정체는 KTP이며; 라만 변환기는 라만 변환 효율을 향상시키도록 구성된 비-원형 외부 코어를 가진다.Furthermore, methods and systems are provided having one or more of the following features: wherein the first wavelength is about 460 nm; the external resonant doubling crystal is KTP; and the Raman converter has a non-circular outer core configured to improve Raman conversion efficiency.

또한, 제 3 고조파 생성 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 제 1 파장보다 낮은 제 2 파장에서 광을 생성하기 위한 제 1 파장의 라만 변환기; 및 저 파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 방지하도록 구성된 외부 공진 이중 결정체를 가진다.Also provided is a third harmonic generating system, the system having a first wavelength Raman converter for generating light at a second wavelength lower than the first wavelength; and an external resonant double crystal configured to prevent the lower wavelength light from propagating through the optical fiber.

또한, 제 4 고조파 생성 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 57.5 nm 파장의 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 방지하도록 구성된 외부 공진 이중 결정체를 사용하여 57.5 nm에서 광을 생성하는 라만 변환기를 가진다.Additionally, a fourth harmonic generation system is provided, the system having a Raman converter generating light at 57.5 nm using an external resonant double crystal configured to prevent light at a wavelength of 57.5 nm from propagating through the optical fiber.

또한, 2차 고조파 생성 시스템이 제공되며; 상기 시스템은 450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하여, 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 소스 레이저의 절반 파장 또는 236.5 nm에서 광을 생성하는 툴륨(Thulium)을 갖는 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가진다.Also provided is a second harmonic generation system, which emits light at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm, having a rare-earth doped brightness converter with thulium that generates light at half the wavelength of the source laser or 236.5 nm using an external resonant double crystal but which does not allow short-wavelength light to propagate through an optical fiber.

또한, 제 3 고조파 생성 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가지며, 외부 공진을 사용하지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 118.25 nm에서 빛을 생성하기 위해 450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하는 툴륨을 가진다.Also provided is a third harmonic generating system having a rare earth doped brightness converter having thulium lasing at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm to produce light at 118.25 nm, which uses an external resonance but does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber.

또한, 제 3 고조파 생성 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 희토류 도핑된 휘도 변환기를 가지며, 외부 공진을 사용하지만 단파장 광이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 59.1 nm에서 빛을 생성하기 위해 450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하는 툴륨을 가진다.Also provided is a third harmonic generation system having a rare-earth doped brightness converter having thulium lasing at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm to produce light at 59.1 nm, which uses an external resonance but does not allow short-wavelength light to propagate through the optical fiber.

또한, 레이저 작동을 수행하기 위한 레이저 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 적어도 3 개의 레이저 다이오드 조립체를 가지며; 적어도 레이저 다이오드 조립체 각각은 적어도 10 개의 레이저 다이오드를 가지며, 적어도 10 개의 레이저 다이오드 각각은 레이저 빔 경로를 따라 적어도 약 2 와트의 전력 및 8 mm-mrad 미만의 빔 매개변수 곱을 갖는 청색 레이저 빔을 생성할 수 있으며, 각각의 레이저 빔 경로는 본질적으로 평행하므로 레이저 빔 경로를 따라 이동하는 레이저 빔 사이에 공간이 정의되며; 상기 시스템은 적어도 30 개의 레이저 빔 경로 모두에 위치된 청색 레이저 빔의 휘도를 공간적으로 조합하고 보존하기 위한 수단을 가지며, 공간적으로 조합하고 보존하기 위한 수단은 레이저 빔의 제 1 축에 대한 시준 광학 장치, 레이저 빔의 제 2 축에 대한 수직 프리즘 어레이, 및 망원경을 가지며; 공간적으로 조합하고 보존하기 위한 수단은 레이저 에너지로 레이저 빔 사이의 공간을 충전함으로써, 적어도 약 600 와트의 출력에서 조합된 레이저 빔, 및 44 mm-mrad 미만의 빔 매개변수 곱을 제공한다.Also provided is a laser system for performing a laser operation, the system having at least three laser diode assemblies; each of the at least ten laser diodes, each of the at least ten laser diodes capable of generating a blue laser beam along a laser beam path having at least about 2 watts of power and a beam parameter product of less than 8 mm-mrad, wherein each of the laser beam paths is essentially parallel such that a space is defined between the laser beams traveling along the laser beam paths; the system having means for spatially combining and preserving the brightness of the blue laser beams positioned along all of the at least thirty laser beam paths, the means for spatially combining and preserving having a collimating optic about a first axis of the laser beam, an array of vertical prisms about a second axis of the laser beam, and a telescope; and the means for spatially combining and preserving fills the space between the laser beams with laser energy to provide a combined laser beam at a power of at least about 600 watts and a beam parameter product of less than 44 mm-mrad.

또한, 주소지정 가능한 어레이 레이저 처리 시스템이 제공되며, 주소지정 가능한 어레이 레이저 처리 시스템은 각각의 조합된 레이저 빔을 단일 광섬유에 커플링하도록 각각 구성되어, 적어도 3 개의 조합된 레이저 빔 각각이 커플링된 광섬유를 따라 전송될 수 있고, 3 개 이상의 광섬유가 레이저 헤드와 광학적으로 관련된 현재 설명된 유형의 적어도 3 개의 레이저 시스템; 및 목표 재료상의 미리 결정된 위치에서 각각의 조합된 레이저 빔을 전달하기 위한 미리 결정된 순서를 갖춘 프로그램을 갖는 제어 시스템을 가진다.Also provided is an addressable array laser processing system, the addressable array laser processing system having at least three laser systems of the presently described type, each configured to couple each of the combined laser beams to a single optical fiber, such that each of the at least three combined laser beams can be transmitted along the coupled optical fiber, the three or more optical fibers being optically associated with a laser head; and a control system having a program having a predetermined sequence for delivering each of the combined laser beams at predetermined locations on a target material.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 주소지정 가능한 어레이를 위한 방법 및 시스템이 제공되며: 여기서, 레이저 헤드로부터 레이저 빔을 개별적으로 켜고 끄는 미리 결정된 순서를 통해 분말 층에 이미징하여 부품에 분말을 갖는 목표 재료를 용융 및 융합하며; 레이저 헤드의 섬유는 선형, 비선형, 원형, 마름모꼴, 정사각형, 삼각형 및 육각형으로 구성된 그룹에서 선택된 배열로 구성되며; 레이저 헤드의 섬유는 2x5, 5x2, 4x5, 적어도 5x 적어도 5, 10x5, 5x10 및 3x4로 구성된 그룹에서 선택된 배열로 구성되며; 목표 재료는 분말 층, 분말 층을 가로질러 레이저 헤드를 이송하여 분말 층을 용융 및 융합시킬 수 있는 x-y 모션 시스템, 및 융합된 층 뒤에 새로운 분말 층을 제공하기 위해 레이저 소스 뒤로 이동할 수 있는 분말 전달 시스템을 가지며; 분말 층의 표면 위로 레이저 헤드의 높이를 증가 및 감소시키기 위해 레이저 헤드를 이송할 수 있는 z-모션 시스템을 가지며; 양의 x 방향 또는 음의 x 방향으로 이동할 때 전달된 레이저 빔 바로 뒤에 분말을 배치할 수 있는 양-방향 분말 배치 장치를 가지며; 복수의 레이저 빔 경로와 동축인 분말 공급 시스템을 가지며; 중력 공급 분말 시스템을 가지며; 분말 공급 시스템을 가지며, 여기서 분말은 불활성 기체 흐름에 동반되며; N > 1이고 분말이 레이저 빔 앞에 중력에 의해 배치되는 N 레이저 빔을 가로지르는 분말 공급 시스템을 가지며; N > 1이고 분말이 레이저 빔을 교차하는 불활성 가스 흐름에 동반되는 N 레이저 빔을 가로지르는 분말 공급 시스템을 가진다.Also provided are methods and systems for an addressable array having one or more of the following features: wherein a target material having powder in a part is imaged onto a powder layer by individually turning a laser beam on and off from a laser head in a predetermined sequence to melt and fuse the powder; wherein the fibers of the laser head are arranged in an arrangement selected from the group consisting of linear, non-linear, circular, diamond, square, triangular, and hexagonal; wherein the fibers of the laser head are arranged in an arrangement selected from the group consisting of 2x5, 5x2, 4x5, at least 5x at least 5, 10x5, 5x10, and 3x4; the target material comprises a powder layer, an x-y motion system capable of transporting the laser head across the powder layer to melt and fuse the powder layer, and a powder delivery system capable of moving behind the laser source to provide a new layer of powder behind the fused layer; and a z-motion system capable of transporting the laser head to increase and decrease the height of the laser head above the surface of the powder layer; A bi-directional powder placement device capable of placing powder directly behind a transmitted laser beam as it moves in the positive x direction or the negative x direction; having a powder supply system coaxial with the plurality of laser beam paths; having a gravity feed powder system; having a powder supply system, wherein the powder is entrained in an inert gas stream; having a powder supply system transverse to N laser beams, where N > 1 and the powder is placed by gravity ahead of the laser beams; having a powder supply system transverse to N laser beams, where N > 1 and the powder is entrained in an inert gas stream intersecting the laser beams.

또한, 고휘도를 갖는 조합된 청색 레이저 빔을 제공하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 복수의 개별 청색 레이저 빔을 제공하기 위해 복수의 라만 변환 레이저를 작동시키고 원천 소스의 공간적 휘도를 보존하면서 더 높은 출력 소스를 생성하기 위해 개별 청색 레이저 빔을 조합하는 단계를 포함하며; 복수의 개별 레이저 빔은 상이한 파장을 가진다.Also provided is a method of providing a combined blue laser beam having high brightness, the method comprising the steps of operating a plurality of Raman converted lasers to provide a plurality of individual blue laser beams and combining the individual blue laser beams to produce a higher power source while preserving the spatial brightness of the source sources; wherein the plurality of individual laser beams have different wavelengths.

더욱이, 목표 재료를 레이저 처리하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 3 개의 개별적인 조합된 레이저 빔을 3 개의 개별적인 광섬유로 생성하기 위해 현재 설명된 시스템 유형의 적어도 3 개의 레이저 시스템을 가지며; 조합된 각각의 레이저 빔을 광섬유를 따라 레이저 헤드로 전송하고; 목표 재료상의 미리 결정된 위치에서 미리 결정된 순서로 레이저 헤드로부터 3 개의 개별적인 조합된 레이저 빔을 지향시키는 주소지정 가능한 어레이 레이저 처리 시스템을 가진다.Furthermore, a method of laser processing a target material is provided, the method comprising: having at least three laser systems of the presently described system type for generating three individual combined laser beams into three individual optical fibers; transmitting each of the combined laser beams along the optical fibers to a laser head; and having an addressable array laser processing system for directing the three individual combined laser beams from the laser head in a predetermined sequence at predetermined locations on the target material.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 어레이에 기초한 3-D 프린터의 실시예의 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 섬유 기반 프린터 헤드의 실시예의 사시도이다.
도 2b는 다른 관점으로부터 도 2a의 섬유 기반 프린터 헤드의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 광학 번들 및 빔 경로의 실시예의 개략적인 그래픽 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따른 1-D 패터닝 시스템을 위한 섬유 번들에 대한 1-D 번들 커넥터 출력의 실시예의 사시도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 섬유 조합기의 실시예의 사시도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 2차 레이저 열원 및 1차 1-D 패터닝 시스템을 갖는 3-D 프린터 헤드의 실시예의 개략도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 2차 레이저 패턴 및 다중 스팟 1차 이미지의 중첩 이미지의 실시예의 사시도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 2차 레이저 열원 및 1차 1-D 패터닝 시스템을 갖는 3-D 프린터 헤드의 실시예의 개략도이다.
도 6b는 본 발명에 따른 2차 레이저 패턴과 다중 스팟 1차 이미지의 중첩 이미지의 실시예의 사시도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 1차원 1차 다중 스폿 이미지 및 1차 이미지용 레이저 다이오드 어레이에 기초한 2차 가열 이미지를 갖는 프린터 헤드의 실시예의 개략도이다.
도 7b는 본 발명에 따른 2차 레이저 패턴과 다중 스팟 1차 이미지의 중첩 이미지의 실시예의 사시도이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명에 따른 분말 층 상의 섬유 번들 이미지 구성(예를 들어, 레이저 빔 패턴 또는 레이저 패턴을 형성하는 레이저 빔)의 다양한 실시예의 평면도이며, 화살표는 층에서 패턴의 이동 방향을 나타낸다.
도 9a 내지 도 9f는 분말 층 상의 섬유 번들 이미지 구성(예를 들어, 레이저 빔 패턴 또는 레이저 패턴을 형성하는 레이저 빔)의 다양한 실시예의 평면도이며, 여기서 1차 레이저 빔 이미지는 본 발명에 따라서 2차 레이저 빔 이미지와 관련되며, 화살표는 층에서 두 패턴의 이동 방향을 나타낸다(1차 이미지 스팟은 단색 스팟으로 표시되고 2차 이미지 스팟은 윤곽 스팟으로 표시된다).
도 10a 내지 도 10f는 분말 층 상의 섬유 번들 이미지 구성(예를 들어, 레이저 빔 패턴 또는 레이저 패턴을 형성하는 레이저 빔)의 다양한 실시예의 평면도이며, 여기서 1차 레이저 빔 이미지는 2차 레이저 빔 이미지와 관련되고 제 2 레이저 빔은 본 발명에 따라 상이한 형상의 2차 이미지를 생성하는 상이한 타이밍 특징을 가지며, 화살표는 층 상의 두 패턴의 이동 방향을 나타낸다(1차 이미지 스팟은 단색 스팟으로 표시되고 2차 이미지 스팟은 윤곽 스팟으로 표시된다).
도 11은 본 발명에 따른 열 화상 카메라에서 분말 층 상의 이미지 매핑의 개략적인 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 제어 시스템 및 폐쇄 루프 제어 공정의 실시예의 개략도이다.
도 13은 본 발명에 따른 청색 라만 변환 레이저 빔의 이미지 및 스펙트럼이다.
FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a 3-D printer based on a fiber array according to the present invention.
FIG. 2a is a perspective view of an embodiment of a fiber-based printer head according to the present invention.
Figure 2b is a perspective view of the fiber-based printer head of Figure 2a from another perspective.
FIG. 3 is a schematic graphical drawing of an embodiment of an optical bundle and beam path according to the present invention.
FIG. 4a is a perspective view of an embodiment of a 1-D bundle connector output for a fiber bundle for a 1-D patterning system according to the present invention.
FIG. 4b is a perspective view of an embodiment of a fiber combiner according to the present invention.
FIG. 5a is a schematic diagram of an embodiment of a 3-D printer head having a secondary laser heat source and a primary 1-D patterning system according to the present invention.
FIG. 5b is a perspective view of an embodiment of a superimposed image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image according to the present invention.
FIG. 6A is a schematic diagram of an embodiment of a 3-D printer head having a secondary laser heat source and a primary 1-D patterning system according to the present invention.
FIG. 6b is a perspective view of an embodiment of a superimposed image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image according to the present invention.
FIG. 7a is a schematic diagram of an embodiment of a printer head having a one-dimensional primary multi-spot image and a secondary heating image based on a laser diode array for the primary image according to the present invention.
FIG. 7b is a perspective view of an embodiment of a superimposed image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image according to the present invention.
FIGS. 8A to 8F are plan views of various embodiments of a fiber bundle image configuration (e.g., a laser beam pattern or a laser beam forming a laser pattern) on a powder layer according to the present invention, with arrows indicating the direction of movement of the pattern in the layer.
FIGS. 9A to 9F are plan views of various embodiments of a fiber bundle image configuration (e.g., a laser beam pattern or a laser beam forming a laser pattern) on a powder layer, wherein a first laser beam image is related to a second laser beam image according to the present invention, and arrows indicate the direction of movement of the two patterns in the layer (the first image spot is represented as a solid spot and the second image spot is represented as an outline spot).
FIGS. 10A to 10F are plan views of various embodiments of a fiber bundle image configuration (e.g., a laser beam pattern or a laser beam forming a laser pattern) on a powder layer, wherein a first laser beam image is related to a second laser beam image and the second laser beam has different timing characteristics to generate second images of different shapes according to the present invention, and arrows indicate the direction of movement of the two patterns on the layer (the first image spots are represented as solid spots and the second image spots are represented as outline spots).
FIG. 11 is a schematic plan view of image mapping on a powder layer in a thermal imaging camera according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of an embodiment of a control system and closed loop control process according to the present invention.
FIG. 13 is an image and spectrum of a blue Raman converted laser beam according to the present invention.

본 발명은 재료의 레이저 처리, 특히 약 350 nm 내지 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 레이저 적층 제작 공정을 포함한 재료의 레이저 빌드에 관한 것이다.The present invention relates to laser processing of materials, and particularly to laser building of materials, including laser additive manufacturing processes using laser beams having a wavelength of about 350 nm to 700 nm.

1-D 1-D 패터닝Patterning 시스템System

도 1은 3-D(3-차원) 적층 제작 장치 또는 프린터 장치(100)의 사시도이다. 프린터 장치(100)는 1-D(1-차원) 섬유 구성인 프린트 헤드로 들어오는 섬유 구성을 가진다. 이러한 1-D 시스템은 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 선형 방식으로 배열된 유입 섬유를 가지며 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같은 광선 경로 및 광학 장치를 가진다.FIG. 1 is a perspective view of a 3-D (three-dimensional) additive manufacturing device or printer device (100). The printer device (100) has a fiber configuration entering a print head which is a 1-D (one-dimensional) fiber configuration. Such a 1-D system has incoming fibers arranged in a linear manner as illustrated in FIGS. 2A and 2B, for example, and has a light path and optical device as illustrated in FIG. 3, for example.

따라서, 도 1 내지 도 3은 1-D 패터닝 시스템을 사용하는 3-D 프린터의 예이며, 여기서 1-D는 3-D 물체를 빌드하는데 사용되는 레이저 빔을 제공하고 발사하는 섬유 번들의 구성을 나타낸다.Accordingly, FIGS. 1 to 3 are examples of 3-D printers using a 1-D patterning system, where 1-D represents a configuration of fiber bundles that provide and fire a laser beam used to build a 3-D object.

먼저, 도 1을 참조하지만, 도 2a, 도 2b 및 도 3의 맥락에서, 시스템(100)은 x 및 y 방향으로 프린터 헤드(200)를 이동시키는 x-y 갠트리 시스템(gantry system)(101)으로 구성된다. 갠트리 시스템은 화강암 또는 금속 또는 바람직하게 무겁고 안정인 기타 재료로 만들어질 수 있는 베이스(112)에 안착된다. 베이스는베이스로부터 분말 층(110) 및 프린터 헤드(200)로 진동이 전달되는 것을 방지하기 위해 그 아래에 고무 또는 공기 지지대를 사용하여 시스템의 나머지 부분으로부터 진동이 차단될 수 있다. 전체 시스템(100)은 기밀 환경(도면에 도시되지 않음)으로 포위되어 분말 처리를 위한 불활성 분위기를 제공할 수 있다. 불활성 분위기는 아르곤, 질소, 헬륨 또는 산소 이외의 다른 불활성 가스일 수 있다. 불활성 대기는 감압, 대기압 또는 증가된 압력에 있을 수 있으며, 대부분은 흐름을 통해(흐름 및 유출 포트에서), 흐름으로(즉, 보충 가스가 유입되지만 유출되지 않음) 또는 비-흐름(활성 가스로의 충전 후 입력 및 출력이 폐쇄됨)으로 수행될 수 있다. 바람직한 실시예는 그들의 표면 장력을 파괴함으로써 용융된 분말의 흐름을 촉진하기 위한 아르곤뿐만 아니라 아르곤-CO2 혼합물이다. 갠트리 스테이지는 프린터 헤드(200)를 운반하고 섬유 어레이 번들은 QBH 스타일 커넥터(style connector)(102)에 의해 프린터 헤드(200)로 전달된다. 프린터 헤드 바로 아래에는 분말 층(110)이 있으며, 여기서 섬유 번들 또는 어레이에 의해 전송된 이미지는 분말 층(110)에서 이미지(103)로 재이미징(reimage)된다. 분말은 정밀 이동을 위한 한 쌍의 선형 레일(109)을 타고 있는 양방향 분말 확산기(108)에 의해 확산된다. 분말 확산기는 갠트리 시스템(101)의 Y 병진 운동 스테이지(106)의 y 모션에 의해 또는 분말 확산기 조립체에 통합된 별도의 모터에 의해 이동될 수 있다. 분말은 전방과 후방 모두의 베이스(112)의 에지에 있는 분말 확산기에 적재되고, 분말은 중력 공급에 의해 분말 층으로 전달된다. 분말 확산기는 분말 층을 펼치고 압축하기 위해 모션의 반대 방향으로 회전하는 롤러(107)를 포함한다. 분말 층을 압축함으로써, 최종 부품의 다공성이 최소화될 수 있다. 출력 및 센서 판독 값은 갠트리가 y 방향으로 이동함에 따라 갠트리 측면의 가요성 케이블 트레이(flexible cable tray)(105)를 통해 라우팅된다.First, referring to FIG. 1, but in the context of FIGS. 2A, 2B and 3, the system (100) comprises an xy gantry system (101) that moves a printer head (200) in the x and y directions. The gantry system is mounted on a base (112) which may be made of granite or metal or other material that is preferably heavy and stable. The base may be vibration insulated from the rest of the system using rubber or air supports underneath it to prevent vibrations from being transmitted from the base to the powder layer (110) and the printer head (200). The entire system (100) may be enclosed in a hermetic environment (not shown in the drawings) to provide an inert atmosphere for powder processing. The inert atmosphere may be argon, nitrogen, helium or another inert gas other than oxygen. The inert atmosphere can be at reduced, atmospheric or elevated pressure and most can be flow through (at the flow and outlet ports), flow in (i.e., makeup gas is introduced but not out), or non-flow (input and output are closed after charging with the inert gas). A preferred embodiment is argon as well as an argon-CO 2 mixture to facilitate the flow of the molten powder by destroying their surface tension. The gantry stage carries the printer head (200) and the fiber array bundle is delivered to the printer head (200) by a QBH style connector (102). Directly beneath the printer head is a powder bed (110) where the image transmitted by the fiber bundle or array is reimaged as an image (103) in the powder bed (110). The powder is spread by a bidirectional powder diffuser (108) which rides on a pair of linear rails (109) for precise movement. The powder spreader can be moved by the y-motion of the Y translation stage (106) of the gantry system (101) or by a separate motor integrated into the powder spreader assembly. Powder is loaded into the powder spreader at the edges of the base (112) at both the front and rear, and the powder is gravity fed into the powder bed. The powder spreader includes rollers (107) that rotate in the opposite direction of the motion to spread and compact the powder bed. By compacting the powder bed, porosity of the final part can be minimized. Outputs and sensor readings are routed through a flexible cable tray (105) on the side of the gantry as the gantry moves in the y-direction.

갠트리 시스템(101)은 프린트 헤드(220)를 y 방향으로 운동시키기 위한 Y 병진 운동 스테이지(106); 및 x 방향으로 프린트 헤드(220)의 운동을 위한 Z 병진 운동 스테이지(111)를 가진다. 시스템(100)은 (다음 층이 부품 상에 증착될 수 있도록 빌드될 때 부품을 아래로 이동시키기 위한)분말 층 엘리베이터(104)를 가진다.The gantry system (101) has a Y translation stage (106) for moving the print head (220) in the y direction; and a Z translation stage (111) for moving the print head (220) in the x direction. The system (100) has a powder layer elevator (104) (for moving the part down as it is built so that the next layer can be deposited on the part).

프린터 헤드(200)의 바람직한 실시예가 도 2a 및 도 2b에 도시된다. 도 2a 및 도 2b는 동일한 실시예의 사시도이지만, 다른 관점에서 본다면, 전형적으로 프린트 헤드는 도면에 도시되지 않은 전방 판을 덮거나 전방 판을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 섬유 번들은 2, 3, 4, 5, 6, 2 내지 10 개 및 이들의 조합뿐만 아니라 더 많은 수가 일렬로, 바람직하게 직선으로 배열된다. 섬유 번들은 QBH 커넥터(201)를 통해 전달된다. QBH 커넥터(201)는 프린트 헤드(200)의 케이스(203)에 장착된 콜릿(collet)(202)에 의해 제자리에 고정된다. 광학 시스템은 시준 광학 장치(204) 및 초점 광학 장치(205)로 구성된다. 이들 두 광학 장치는 단일 이미징 광학 장치로 대체될 수 있다. 레이저 빔은 섬유(210)의 표면으로부터 발사되고 레이저 빔은 레이저 빔 경로를 따라 렌즈(204), 렌즈(205)로 이동한 다음 창(209) 밖으로 이동하여 이미지(103)를 형성한다. 광학 시스템에 추가하여, 프린터 헤드(200)는 또한, 분말 층 상의, 다중 스폿 이미지(103)를 위한 개구 또는 창(208)을 통해 용융 풀(pool)의 온도를 모니터링하기 위한 열 화상 카메라 또는 고온계 카메라(207)를 수용할 수 있다.A preferred embodiment of the printer head (200) is illustrated in FIGS. 2A and 2B. While FIGS. 2A and 2B are perspective views of the same embodiment, it should be understood that, when viewed from another perspective, the print head may typically cover or have a front plate, which is not shown in the drawings. The fiber bundles are arranged in a row, preferably in a straight line, of two, three, four, five, six, two to ten, and combinations thereof, as well as more. The fiber bundles are delivered through a QBH connector (201). The QBH connector (201) is held in place by a collet (202) mounted in a case (203) of the print head (200). The optical system comprises a collimating optic (204) and a focusing optic (205). These two optics may be replaced by a single imaging optic. A laser beam is emitted from the surface of the fiber (210) and the laser beam travels along the laser beam path to the lens (204), lens (205) and then out the window (209) to form an image (103). In addition to the optical system, the printer head (200) may also accommodate a thermal imaging camera or pyrometer camera (207) for monitoring the temperature of the molten pool through an aperture or window (208) for multiple spot images (103) on the powder layer.

도 4를 참조하면, 1-D 광학 시스템(300) 및 그의 레이저 빔 경로의 광선 추적의 실시예의 개략도가 도시된다. 이 1D 광학 시스템은 예를 들어, 프린트 헤드(200)에 사용될 수 있다. 섬유 번들(301)은 직선으로 배열된 5 개의 광섬유(301a, 301b, 301c, 301d, 301e)를 가지며, 광선 경로(305)를 갖는 빔 경로를 따라 출력 레이저 빔을 제공하며, 출력은 렌즈(302)에 의해 시준될 수 있으며, 렌즈는 평-볼록 렌즈(plano-convex lens), 평-볼록 비구면 렌즈(plano-convex aspheric lens), 한 쌍의 렌즈, 삼중 렌즈 또는 유사한 유형의 광학 장치일 수 있다. 광선 경로(307)를 갖는 어레이 번들로부터 시준된 빔은 평-볼록 렌즈, 평-볼록 비구면 레즈, 한 쌍의 렌즈, 삼중 렌즈 또는 유사한 유형의 광학 장치일 수 있는 포커싱 렌즈(303)에 의해 일련의 스팟(304a, 304b, 304c, 304d, 304e)을 갖는 이미지(304)에 포커싱된다. 섬유의 크기는 스케일(320)로 표시되고 이미지 및 스폿의 크기는 스케일(321)로 표시된다. 평-볼록 렌즈와 평-비구면 렌즈의 곡면은 시스템의 구면 수차를 최소화하기 위해 서로 마주한다. 도 3에 도시된 광선 추적은 2 개의 융합된 실리카 평-비구면 렌즈용이다. 스폿은 초점면 또는 푸리에 변환 평면에 있으며 시스템의 작은 수차로 인해, 이미지가 약간 퍼져 개별 광섬유 이미지(즉, 스폿(304a, 304b, 304c, 304d, 304e))의 중첩을 초래하며, 이는 이미지(304)를 구성한다. 시스템은 또한, 단일 이미징 렌즈를 사용할 수 있으며, 여기서 광섬유 소스(301)의 발사면은 이미징 광학 장치로부터 적어도 2f 떨어져 배치되고 이미지 평면은 동일한 광학 장치로부터 적어도 2f 떨어져 있을 것이다. 이러한 접근방법은 광섬유 번들을 재-이미지화(reimage)하기 위해 시준 렌즈 및 초점 렌즈를 사용하는 바람직한 실시예보다 실질적으로 더 큰 렌즈를 필요로 한다. 열 화상 카메라 또는 고온계 카메라는 바람직하게, 분말 층 상의, 다중 스폿 이미지의 각각의 개별 스폿에 대해 용융 풀의 온도를 모니터링한다.Referring to FIG. 4, a schematic diagram of an embodiment of a 1-D optical system (300) and ray tracing of its laser beam path is illustrated. This 1-D optical system may be used, for example, in a print head (200). A fiber bundle (301) has five optical fibers (301a, 301b, 301c, 301d, 301e) arranged in a straight line and provides an output laser beam along a beam path having a ray path (305), the output of which may be collimated by a lens (302), which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspheric lens, a pair of lenses, a triplet lens or a similar type of optical device. A collimated beam from an array bundle having a ray path (307) is focused by a focusing lens (303), which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspheric lens, a pair of lenses, a triplet lens or a similar type of optical device, into an image (304) having a series of spots (304a, 304b, 304c, 304d, 304e). The size of the fibers is indicated by a scale (320) and the sizes of the image and spots are indicated by a scale (321). The curves of the plano-convex lens and the plano-aspheric lens face each other to minimize spherical aberration of the system. The ray tracing illustrated in FIG. 3 is for two fused silica plano-aspheric lenses. The spot is in the focal plane or Fourier transform plane and due to small aberrations of the system the image is slightly spread resulting in a superposition of individual fiber images (i.e. spots (304a, 304b, 304c, 304d, 304e)) which constitute image (304). The system may also use a single imaging lens wherein the firing face of the fiber source (301) would be positioned at least 2f away from the imaging optics and the image plane would be at least 2f away from the same optics. This approach requires a substantially larger lens than the preferred embodiment which uses a collimating lens and a focusing lens to reimage the fiber bundle. A thermal imaging camera or pyrometer camera preferably monitors the temperature of the melt pool for each individual spot of the multiple spot images on the powder layer.

1-D 패터닝 시스템의 실시예에서, 이미터의 1-D 라인, 예를 들어 섬유 면은 섬유의 물리적 크기와 QBH 커넥터에 따라 2, 3, 4,… n이 될 수 있다. 실시예에서, 단일 섬유가 있다. 실시예에서, 2 내지 15, 2 내지 10, 5 내지 50, 2 내지 1,000, 5 내지 500, 100 내지 2,000, 10 초과, 20 초과, 50 초과, 및 이들의 조합과 변형, 그리고 더 크고 더 적은 수의 섬유가 예를 들어, 나란히 배치된다. 따라서, 예를 들어 직경 200 ㎛의 섬유(예를 들어, 약 10 내지 약 185 ㎛의 코어 직경을 가짐)가 사용될 수 있으며 그들의 빔과 빔 이미지는 분말 층에 재이미징되어 분말을 베이스 재료에 용융시키고 융합시키기 위한 출력을 제공한다.In embodiments of the 1-D patterning system, the 1-D lines of the emitters, e.g., fiber faces, can be 2, 3, 4, ... n, depending on the physical size of the fiber and the QBH connectors. In embodiments, there is a single fiber. In embodiments, there are 2 to 15, 2 to 10, 5 to 50, 2 to 1,000, 5 to 500, 100 to 2,000, more than 10, more than 20, more than 50, and combinations and variations thereof, and larger and smaller numbers of fibers, for example, arranged side by side. Thus, for example, fibers having a diameter of 200 μm (e.g., having a core diameter of about 10 to about 185 μm) can be used and their beam and beam image are re-imaged onto the powder layer to provide an output for melting and fusing the powder into the base material.

도 4을 참조하면, QBH 스타일 번들 커넥터 출력(700)의 실시예의 사시도가 도시된다. 이 커넥터 출력(700)은 5 개의 레이저 빔 이미터 및 그들의 이미지, 예를 들어 원형 스폿을 제공하기 위해 직선으로 배열된 5 개의 섬유(701)를 가진다. 커넥터 출력(700)은 5 개의 섬유를 수용하는 기계적인 QBH 입력(702)을 가진다. 이러한 입력(702)은 예를 들어 프린터 헤드, 또는 예를 들어 도 4b에 도시된 유형의 조합 조립체에 연결될 수 있다. 커넥터 출력(700)은 광섬유를 덮고 브레이크 센서(break senor)를 갖는 보호 커버(703)를 가진다.Referring to FIG. 4, a perspective view of an embodiment of a QBH style bundle connector output (700) is illustrated. The connector output (700) has five laser beam emitters and five fibers (701) arranged in a straight line to provide their images, for example, circular spots. The connector output (700) has a mechanical QBH input (702) that accepts the five fibers. This input (702) can be connected to, for example, a printer head, or a combination assembly of the type illustrated in FIG. 4B. The connector output (700) has a protective cover (703) that covers the fibers and has a break sensor.

섬유 번들 조합기의 실시예의 예가 도 4b에 도시된다. 이러한 경우에 조합기(806)는 입력 광섬유(801, 802, 803, 804, 805)가 있는 자유 공간 조합기이며, 조합되기 전에 시준을 시작하고 출력 광섬유 번들(807)로 다시 초점을 맞춘 다음, 광섬유에 의해 예를 들어, 출력 커넥터, 프린터 헤드로 전송된다. 섬유 번들은 각각의 개별 섬유(801, 802, 803, 804, 805)로부터 전력을 수신하고 분말 층에 재이미징된다. 각각의 광섬유로부터의 전력은 예를 들어, 갠트리 시스템이 얼마나 빨리 스캔할 수 있는 지의 속도 및 광섬유 번들 이미지의 크기에 따라서, 약 2 와트(W), 10 W, 100 W, 약 150 W, 약 500 W, 약 1 kW, 약 2 kW, 약 1 W 내지 약 2 kW, 약 2 W 내지 약 150 W, 약 250 W 내지 약 1 kW 또는 수-kW, 그리고 이들의 조합 및 변형일 수 있다.An example of an embodiment of a fiber bundle combiner is illustrated in FIG. 4b. In this case, the combiner (806) is a free-space combiner having input fibers (801, 802, 803, 804, 805) that are collimated before being combined and refocused into an output fiber bundle (807) and then transmitted by the fibers to, for example, an output connector, a printer head. The fiber bundle receives power from each individual fiber (801, 802, 803, 804, 805) and is reimaged onto a powder layer. The power from each optical fiber can be about 2 Watts (W), 10 W, 100 W, about 150 W, about 500 W, about 1 kW, about 2 kW, about 1 W to about 2 kW, about 2 W to about 150 W, about 250 W to about 1 kW or several kW, and combinations and variations thereof, depending on, for example, how fast the gantry system can scan and the size of the fiber bundle image.

1-D 섬유 번들 구성 및 프린터 헤드에 의해 생성될 수 있는 1-D 레이저 이미지 패턴(예를 들어, 다중 스폿 이미지)의 다양한 실시예의 예가 도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d, 도 8e, 도 8f에 도시된다. 분말 층에서 패턴의 운동 방향은 화살표로 표시된다. 이들 레이저 패턴은 본 발명에 따른 적층 제작 시스템, 프린터 헤드 및 방법의 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다.Examples of various embodiments of 1-D fiber bundle configurations and 1-D laser image patterns (e.g., multi-spot images) that can be generated by the printer head are illustrated in FIGS. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, and 8F. The direction of movement of the patterns in the powder layer is indicated by the arrows. These laser patterns can be used with any embodiments of the additive manufacturing system, printer head, and method according to the present invention.

다중 스팟 이미지의 스팟은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 및 기타 형상일 수 있으며; 이들은 결합, 인접, 중첩, 부분적으로 중첩될 수 있으며; 이들은 선형, 직선, 곡선, 지그재그형, 더 큰 구역을 형성하는 패턴, 예를 들어 정사각형 또는 직사각형일 수 있으며; 이들의 조합 및 변형 그리고 기타 구성 및 배열일 수 있다. 이들 레이저 패턴은 본 발명에 따른 적층 제작 시스템, 프린터 헤드 및 방법의 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다.The spots of the multi-spot image can be circular, elliptical, square, rectangular and other shapes; they can be joined, adjacent, overlapping or partially overlapping; they can be linear, rectilinear, curved, zigzag, patterns forming larger areas, for example square or rectangular; combinations and variations of these and other configurations and arrangements. These laser patterns can be used with any of the embodiments of the additive manufacturing system, printer head and method according to the present invention.

부품은 분말 층을 가로질러 섬유 번들의 1-D 이미지를 스캔함으로써 인쇄된다. 고출력 광섬유 출력의 1D 이미지는 갠트리 시스템에 의해 y 축에서 스윕(swept)되고 패턴을 반복하기 위해 x 축에서 스텝 오버(stepped over)된다. 스텝 오버는 트랙 프린터에만 인접해 있거나 최종 부품에서 원하는 응력 패턴에 따라 임의로 변경될 수 있다. 인쇄 후에, 분말 층 아래에 위치된 분말 층 엘리베이터는 분말 층을 미리 결정된 양(예를 들어, 약 40 ㎛, 약 50 ㎛, 약 60 ㎛, 약 35 ㎛ 내지 약 65 ㎛, 및 이들의 조합과 더 크고 더 작은 거리)을 떨어뜨리며, 분말 확산기는 분말 금속 층을 균일하게 펴고 롤러는 분말 층을 압축하여 분말의 다공성을 감소시킨다. 분말 층이 다음 층을 위해 준비된 후, 다음 층은 그의 표면을 가로질러 스캔된 1-D 섬유 번들의 이미지와 함께 인쇄된다.The parts are printed by scanning a 1-D image of the fiber bundle across a powder layer. The 1-D image of the high-power fiber output is swept in the y-axis by a gantry system and stepped over in the x-axis to repeat the pattern. The step over can be adjacent to the track printer alone or can be varied arbitrarily depending on the stress pattern desired in the final part. After printing, a powder layer elevator positioned beneath the powder layer drops a predetermined amount of powder layer (e.g., about 40 μm, about 50 μm, about 60 μm, about 35 μm to about 65 μm, and combinations thereof and greater and lesser distances), a powder spreader evenly spreads the powder metal layer, and a roller compacts the powder layer to reduce porosity of the powder. After the powder layer is prepared for the next layer, the next layer is printed with the 1-D image of the fiber bundle scanned across its surface.

광섬유 시스템은 또한 개별 레이저 다이오드로 대체될 수 있지만, 이는 프린트 헤드의 크기와 개별 레이저 다이오드를 구동하는데 필요한 복잡한 전자 장치 때문에 바람직한 실시예가 아니다. 개별 레이저 다이오드는 주소지정 가능한 레이저 다이오드 어레이 바의 일부일 수 있으며, 이 경우 개별 레이저 다이오드는 개별 전류 구동 기능을 갖춘 연속 바 조립체의 일부이다. 이는 이미터당 전력이 제한된 섬유 접근 방식에 대한 좋은 대안이다.The fiber optic system can also be replaced with individual laser diodes, but this is not a desirable embodiment because of the size of the print head and the complex electronics required to drive the individual laser diodes. The individual laser diodes can be part of an addressable laser diode array bar, in which case the individual laser diodes are part of a continuous bar assembly with individual current drive capability. This is a good alternative to the fiber approach, which is limited in power per emitter.

2차 레이저를 갖춘 1D 1D with secondary laser 패터닝Patterning 시스템System

실시예에서, 추가 또는 제 2 레이저 빔이 프린트 헤드에 추가되어 인쇄된 이미지의 예열, 냉각 제어 및 온도 제어 수단을 제공한다. 2차 레이저 빔은 가열 빔으로도 지칭되며; 분말을 용융시키고 융합시켜 물체를 형성하는데 사용되는 1차 레이저 빔은 빌드 레이저 및 빌드 레이저 빔으로 지칭될 수 있다.In embodiments, an additional or second laser beam is added to the print head to provide a means for preheating, cooling control and temperature control of the printed image. The second laser beam may also be referred to as a heating beam; the primary laser beam used to melt and fuse the powder to form the object may be referred to as a build laser and a build laser beam.

1차 및 2차 레이저 빔을 갖는 프린트 헤드의 실시예가 도 5a에 도시되며, 1차 레이저 빔을 제공하고 분말 층에 1차 이미지(409)(다중 스팟 이미지일 수 있음)를 생성하는 섬유 번들은 QBH 커넥터(401)에 의해 전달되고 콜릿(402)에 의해 프린트 헤드(400)에 장착된다. 1차 이미지(409)에 대한 빔 경로 및 빔 전달을 위한 광학 시스템은 섬유 번들의 출력을 시준하기 위한 렌즈(405)로 구성된다. 시준된 출력은 초점 렌즈(406)에 의해 1차 이미지(409)로서 파워 층에 초점이 맞춰진다. 이러한 광학 시스템은 렌즈가 평-볼록, 평-볼록 비구면, 이중 또는 삼중 렌즈일 수 있는 이전 설명과 유사하다. 제 2 레이저 빔은 콜릿(404)과 함께 프린트 헤드에 장착되는, QBH 커넥터(403)에 의해 전달되는 광섬유를 통해 프린트 헤드(400)로 도입된다. 렌즈(407)는 섬유의 출력을 시준하는데 사용된다. 렌즈(407)는 평-볼록, 평-볼록 비구면, 이중 또는 삼중 렌즈일 수 있다. 고출력 레벨에서 대부분의 시멘트가 고출력 레벨에서 견뎌내지 못하기 때문에 이중 또는 삼중 렌즈는 공기 간격을 가져야 한다. 시준된 빔은 렌즈 또는 마이크로 렌즈 시스템(408)에 의해 분말 층으로 변환되고 초점이 맞춰지며, 빔을 2차 이미지로 형상화하고 이를 1차 이미지(409)와 중첩되도록 방향을 재지향시킨다. 이들 중첩 이미지의 실시예는 도 5b에 도시된다. 중첩 이미지(450)는 1차 섬유 번들의 1차 섬유로부터 전파되는 1차 스팟(411, 412, 413, 414, 415)을 갖는 1차 다중-스팟 이미지(451)일 수 있다. 1차 스폿은 2차 변환된 레이저 빔의 2차 이미지(410)와 조합된다. 바람직하게, 2차 이미지는 분말(420)의 체적을 가열한다. 이러한 실시예에서, 2차 레이저 빔은 화살표(416)로 나타낸 바와 같이 "y" 방향으로 변환되는 1-D 패턴(451) 바로 앞에 그의 에너지의 대부분을 증착하도록 위치된다. 1차(451) 및 2차(410) 패턴 모두는 동일한 속도로 동일한 방향(416)으로 이동한다. 이러한 2차 빔 패턴은 분말을 예열하고 섬유 번들의 이미지를 지원함으로써 분말을 용융시켜 이를 기판에 융합시키고, 융합 후 약간의 열을 제공하여 재료를 어닐링함으로써 인쇄되는 부품 내의 내부 응력을 감소시킨다. 나머지 시스템은 이전 섹션에서 설명한 대로 기능을 하며, 여기서 열 화상 카메라 또는 고온계 어레이가 시스템에 통합되어 레이저 시스템에 피드백을 제공함으로써 1차 섬유 번들 이미지(451) 바로 앞의 분말을 미리 결정된 온도, 바람직하게 분말의 융점 바로 아래의 온도로 유지한다. 융합 공정 동안, 열 화상 카메라 또는 고온계 어레이의 피드백 신호는 2차 레이저, 이미지(451)를 생성하는 섬유 번들의 개별 레이저 및 둘 모두의 전력을 제어하여 섬유 번들의 이미지내부에서 미리 결정된 분말 온도를 생성하는데 사용된다. 시스템에 사용되는 미리 결정된 분말 온도는 초기에 시스템에서 경험적으로 결정되며 표면 거칠기, 부품 다공성 및 부품 크기를 최소화하기 위한 모든 빌드의 지침으로서 사용된다. 2차 레이저 소스는 50 와트, 100 와트, 150 와트, 500 와트, 1,000 와트, 약 50 와트 내지 약 2 kW, 약 250 와트 내지 약 1 kW, 및 수-kW이며, 이들 범위 내의 모든 값은 예를 들어, 프린트 헤드의 스캔 속도와 사용 중인 섬유 어레이 패턴의 면적에 의존한다.An embodiment of a print head having primary and secondary laser beams is illustrated in FIG. 5A, wherein a fiber bundle providing the primary laser beam and generating a primary image (409) (which may be a multi-spot image) on a powder layer is delivered by a QBH connector (401) and mounted to the print head (400) by a collet (402). An optical system for the beam path and beam delivery for the primary image (409) comprises a lens (405) for collimating the output of the fiber bundle. The collimated output is focused onto the power layer as the primary image (409) by a focusing lens (406). This optical system is similar to the previous description wherein the lenses may be plano-convex, plano-convex aspheric, doublet or triplet lenses. The secondary laser beam is introduced into the print head (400) via an optical fiber delivered by a QBH connector (403), which is mounted to the print head together with a collet (404). A lens (407) is used to collimate the output of the fibers. The lens (407) may be a plano-convex, plano-convex aspheric, doublet or triplet lens. The doublet or triplet lens must have an air gap since most cements will not withstand high power levels. The collimated beam is converted and focused into a powder layer by a lens or micro lens system (408), which shapes the beam into a secondary image and redirects it to be superimposed with the primary image (409). Examples of these superimposed images are shown in FIG. 5B . The superimposed image (450) may be a primary multi-spot image (451) having primary spots (411 , 412 , 413 , 414 , 415) propagating from the primary fibers of the primary fiber bundle. The primary spots are combined with a secondary image (410) of the secondary converted laser beam. Preferably, the secondary image heats a volume of powder (420). In this embodiment, the secondary laser beam is positioned so as to deposit most of its energy directly in front of the 1-D pattern (451) which translates in the "y" direction as indicated by arrow (416). Both the primary (451) and secondary (410) patterns move in the same direction (416) at the same speed. This secondary beam pattern preheats the powder and assists in the image of the fiber bundles to melt the powder and fuse it to the substrate, and after fusion provides some heat to anneal the material, thereby reducing internal stresses within the printed part. The remainder of the system functions as described in the previous section, except that a thermal imaging camera or pyrometer array is incorporated into the system to provide feedback to the laser system to maintain the powder directly in front of the primary fiber bundle image (451) at a predetermined temperature, preferably just below the melting point of the powder. During the fusion process, the feedback signal from the thermal imaging camera or pyrometer array is used to control the power of the secondary laser, the individual lasers in the fiber bundle that generate the image (451), and both to generate a predetermined powder temperature within the image of the fiber bundle. The predetermined powder temperature used in the system is empirically determined initially in the system and is used as a guideline for all builds to minimize surface roughness, part porosity, and part size. The secondary laser source can be 50 Watts, 100 Watts, 150 Watts, 500 Watts, 1,000 Watts, about 50 Watts to about 2 kW, about 250 Watts to about 1 kW, and several kW, all values within these ranges depending on, for example, the scan speed of the print head and the area of the fiber array pattern being used.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 두 도면에서 2차 섬유 번들 레이저 소스가 분말 층 상에 주소지정 가능한 열 패턴을 제공하는 2차(552) 및 1차 이미지(551)의 조합된 이미지(509)를 제공하는 레이저 헤드(500)의 사시도가 도시된다. 도 6은 커넥터(503)에 의해 부착된 섬유 번들이 콜릿(504)과 함께 프린터 헤드(500)에 부착되는 2차 섬유 번들의 사용을 예시한다. 1차 섬유 번들은 커넥터(501) 및 콜릿(502)에 의해 프린터 헤드(500)에 부착되고, 시준 렌즈(505) 및 푸리에 변환 포커싱 렌즈(506)를 가진다. 렌즈(507)는 섬유 번들을 시준하고 빔 변환 시스템(508)은 이미지(552)를 형성하도록 개별적으로 제어될 수 있는 2차 섬유 번들의 n 개의 이미지를 생성하며, 이러한 실시예에서는 가열되는 분말 층의 분말 체적에 대응하는 이미지(516, 517, 518, 519, 520)를 가진다. 각각의 2차 레이저 소스가 켜지고 꺼지는 시간을 제어함으로써, 이미지(516 내지 520)에 대한 각각의 대응 체적의 예열 및 냉각 특성을 변경할 수 있다. 도 5b의 실시예에서, 외부 2차 이미지(516, 520)를 제공하는 2 개의 외부 섬유는 패턴의 외부 에지를 예열하기 위해 동시에 켜지고 꺼진다. 이미지(517, 519)를 제공하는 두 개의 내부 섬유는 두 개의 외부 섬유의 가열로 인해 내부 영역에서 더 적은 에너지가 필요하기 때문에 외부 섬유로부터의 열 축적이 내부 영역으로 스며들 수 있도록 약간 나중에 켜진다. 중앙 2차 섬유 이미지(518)는 더 적은 에너지를 필요로 하므로, 소스는 나중에 더 낮은 전력 레벨에서 켜지고 늦게 꺼져 레이저 스폿(513)에 대응하는 한 영역 또는 레이저 스폿(511 내지 515)에 대응하는 전체 영역을 어닐링하기 위해 열을 제공하며, 이는 재료의 열전도율과 부품의 디자인에 따라서 1차 다중 스폿 이미지(551)를 형성한다. 각각의 2차 섬유는 30 와트, 100 와트, 150 와트, 약 50 와트 내지 약 2 kW, 약 250 와트 내지 약 1 kW 및 수-kW 와트의 전력 및 이러한 범위 내의 모든 값을 예를 들어, 프린트 헤드의 스캔 속도와 가열된 패턴의 크기에 따라서 전달할 수 있다.Referring to FIGS. 6A and 6B , a perspective view of a laser head (500) is shown providing a combined image (509) of a secondary (552) and primary image (551) in which a secondary fiber bundle laser source provides an addressable heat pattern on a powder layer. FIG. 6 illustrates the use of a secondary fiber bundle attached to a printer head (500) with a collet (504) with the fiber bundle attached by a connector (503). The primary fiber bundle is attached to the printer head (500) by a connector (501) and a collet (502) and has a collimating lens (505) and a Fourier transform focusing lens (506). A lens (507) collimates the fiber bundle and a beam transformation system (508) generates n images of the secondary fiber bundles that can be individually controlled to form images (552), in this embodiment having images (516, 517, 518, 519, 520) corresponding to powder volumes of the powder layer being heated. By controlling the timing at which each of the secondary laser sources is turned on and off, the preheating and cooling characteristics of each corresponding volume for the images (516-520) can be varied. In the embodiment of FIG. 5b, the two outer fibers providing the outer secondary images (516, 520) are turned on and off simultaneously to preheat the outer edges of the pattern. The two inner fibers providing images (517, 519) are turned on slightly later to allow the heat build-up from the outer fibers to permeate into the inner region because less energy is required in the inner region due to the heating of the two outer fibers. The central secondary fiber image (518) requires less energy, so the source is turned on later at a lower power level and turned off later to provide heat to anneal either a region corresponding to a laser spot (513) or the entire region corresponding to a laser spot (511 to 515), forming a primary multi-spot image (551), depending on the thermal conductivity of the material and the design of the part. Each secondary fiber can deliver power ranging from about 30 watts, 100 watts, 150 watts, about 50 watts to about 2 kW, about 250 watts to about 1 kW and several-kilowatt watts and all values therein, depending on, for example, the scan speed of the print head and the size of the heated pattern.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 스폿(610, 611, 612, 613, 614) 및 이미지(608)와 중첩되고 전력의 체적(651)을 가열하는 2차 레이저 빔 이미지(609)를 갖는 1차 다중 스폿 레이저 빔 이미지(608)를 제공하는 레이저 프린팅 헤드(600)의 사시도가 도시된다. 1차 레이저 소스는 다이오드 어레이(601)(1D 패턴 또는 2D 패턴을 제공할 수 있음)이며, 1차 레이저 빔 경로는 어레이(601)를 떠나 제 1 빔 변환 광학 장치(604)에 진입한 다음 제 2 빔 변환 광학 장치(605)에 들어가 1D 패턴인 이미지(608)를 분말 층의 표면에 형성한다. 2차 레이저는 커넥터(603) 및 콜릿(603)에 의해 프린터 헤드(600)에 연결되는 섬유 또는 섬유 번들을 가진다. 2차 레이저 빔 경로는 섬유 또는 섬유 번들로부터 시준 렌즈(606)로 이동한 다음 빔 변환 광학 장치(607)로 이동하여 2차 레이저 빔 이미지(609)를 형상화하고 1차 레이저 빔 이미지(608)와 중첩시킨다. 레이저 빔의 이동 방향 및 분말 층에 대한 그들 각각의 이미지는 화살표(615)로 표시된다.Referring to FIGS. 7A and 7B , a perspective view of a laser printing head (600) providing a primary multi-spot laser beam image (608) having spots (610, 611, 612, 613, 614) and a secondary laser beam image (609) overlapping the image (608) and heating a volume (651) of power is depicted. The primary laser source is a diode array (601) (which can provide a 1D pattern or a 2D pattern) and the primary laser beam path leaves the array (601) and enters a first beam transformation optic (604) and then a second beam transformation optic (605) to form the image (608) which is a 1D pattern on the surface of a powder layer. The secondary laser has a fiber or fiber bundle connected to the printer head (600) by a connector (603) and a collet (603). The secondary laser beam path travels from the fiber or fiber bundle to a collimating lens (606) and then to a beam transforming optics device (607) to shape the secondary laser beam image (609) and superimpose it with the primary laser beam image (608). The direction of travel of the laser beam and their respective images on the powder layer are indicated by arrows (615).

도 7a 및 도 7b의 실시예에서, 주소지정 가능한 레이저 다이오드 어레이 소스는 분말 층에 주소지정 가능한 열 패턴을 생성한다. 주소지정 가능한 레이저 다이오드 어레이 소스(601)로부터의 각각의 이미터는 다이오드 어레이 기술에 의해 제한되는 바와 같이 3 와트, 10 와트 이상일 수 있다. 레이저 다이오드의 개별 전력 레벨은 그 자체로 많은 금속 재료를 용융시키는데 불충분하므로, 커넥터(602)에 섬유 또는 섬유 번들에 의해 제공되는 2차 열원 또는 레이저 소스는 주소지정 가능한 레이저 다이오드 어레이를 사용하는 임의의 설계의 요구사항이다. 가열된 분말 층 또는 2차 레이저 소스가 사용될 수 있다. 여기서 2차 레이저 소스는 이미지(609)를 제공하여 분말의 체적(651)을 융점 바로 아래로 예열하고 레이저 다이오드 어레이(608)의 이미지를 사용하여 분말을 용융시켜 그 아래의 재료에 융합시킨다. 2차 레이저 소스는 커넥터(602) 및 콜릿(603)에 의해 프린터 헤드(600)에 연결되는 단일 섬유, 섬유 번들일 수 있거나, 2차 레이저 소스는 도 6a의 실시예에 도시된 것과 같은, 단일 이미지(609) 또는 일련의 이미지를 형성하기 위해 시준 및 재이미징되는 다른 레이저 다이오드 어레이일 수 있다. 레이저 다이오드 어레이에 대한 바람직한 실시예는 IR 레이저 다이오드 소스에 대해 향상된 흡수성 때문에 청색 레이저 다이오드 소스이다. 직접적인 레이저 다이오드 어레이 소스에서 사용될 수 있는 1-D 패턴은 다이오드들 사이의 간격이 임의의 설계에서 고려되어야 하는 도 8b 및 도 8d의 실시예일 가능성이 가장 높지만, 이미지를 변환하는 광학 장치는 도 8a 내지 도 8f의 실시예의 임의의 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다.In the embodiments of FIGS. 7A and 7B, an addressable laser diode array source generates an addressable heat pattern in the powder layer. Each emitter from the addressable laser diode array source (601) may be 3 watts, 10 watts, or more, as limited by the diode array technology. Since the individual power levels of the laser diodes by themselves are insufficient to melt many metallic materials, a secondary heat source or laser source provided by a fiber or fiber bundle to the connector (602) is a requirement of any design utilizing an addressable laser diode array. A heated powder layer or a secondary laser source may be used, wherein the secondary laser source provides an image (609) to preheat a volume of powder (651) to just below its melting point and uses the image from the laser diode array (608) to melt the powder and fuse it to the material below. The secondary laser source may be a single fiber, a fiber bundle, connected to the printer head (600) by the connector (602) and the collet (603), or the secondary laser source may be another laser diode array that is collimated and re-imaged to form a single image (609) or a series of images, such as that shown in the embodiment of FIG. 6a. A preferred embodiment for the laser diode array is a blue laser diode source because of its improved absorption over an IR laser diode source. The 1-D pattern that can be used in a direct laser diode array source is most likely the embodiments of FIGS. 8b and 8d where the spacing between the diodes should be considered in any design, but the image converting optics can be used to generate any of the images of the embodiments of FIGS. 8a-8f.

1차 레이저 빔 패턴을 형성하는 1차 레이저 빔 중 하나 이상 또는 전부는 2차 레이저 패턴의 영역 내에 완전히, 2차 레이저 패턴의 영역 내에 부분적으로, 2차 레이저 빔의 영역 외부에 완전히 그리고 이들의 조합 및 변형으로 있을 수 있다. 실시예에서 1차 및 2차 레이저 빔 패턴은 동일한 방향으로 동일한 속도로, 동일한 방향으로 상이한 속도로(예를 들어, 1차가 더 빠르거나 2차가 더 빠름), 그리고 상이한 방향으로 동일하거나 상이한 속도로 이동하고 이들의 조합 및 변형 형태로 이동할 수 있다. 1차 및 2차 레이저 빔은 특정 유형의 품목을 빌드하거나 특정 유형의 기능을 빌드 품목에 제공하기 위해 미리 결정된 독립적인 패턴으로 이동될 수도 있다.One or more or all of the primary laser beams forming the primary laser beam pattern can be completely within the area of the secondary laser pattern, partially within the area of the secondary laser pattern, completely outside the area of the secondary laser beam, and combinations and variations thereof. In embodiments, the primary and secondary laser beam patterns can move in the same direction at the same speed, in the same direction at different speeds (e.g., the primary is faster or the secondary is faster), and in different directions at the same or different speeds, and combinations and variations thereof. The primary and secondary laser beams can also be moved in predetermined independent patterns to build a particular type of item or to provide a particular type of functionality to a built item.

1차 레이저 빔 패턴은 1 개, 2 개, 3 개, 4 개 이상 및 10 개 이상의 레이저 빔을 가질 수 있다. 2차 레이저 빔 패턴은 단일 빔이거나 다중 레이저 빔 또는 다중 중첩 레이저 빔 및 이들의 조합 및 변형일 수 있다.The primary laser beam pattern can have one, two, three, four or more, and ten or more laser beams. The secondary laser beam pattern can be a single beam, multiple laser beams, or multiple overlapping laser beams, and combinations and variations thereof.

1차 레이저 빔 단면은 원형, 타원형 또는 정사각형 또는 기타 형상일 수 있다. 1차 레이저 빔 패턴은 정사각형 구성, 직사각형 구성, 원형 구성, 타원형 구성, 포물선 구성(패턴의 모션에 대해 볼록 또는 오목), 아치(패턴의 모션과 관련하여 볼록 또는 오목), 화살표 또는 "V" 구성, 다이아몬드 구성뿐만 아니라, 기타 기하학적 패턴 및 구성 그리고 이들의 조합 및 변형으로 선형으로 배열될 수 있다.The primary laser beam cross-section can be circular, elliptical, square or other shaped. The primary laser beam pattern can be arranged linearly in a square configuration, a rectangular configuration, a circular configuration, an elliptical configuration, a parabolic configuration (convex or concave with respect to the motion of the pattern), an arch (convex or concave with respect to the motion of the pattern), an arrow or "V" configuration, a diamond configuration, as well as other geometric patterns and configurations and combinations and variations thereof.

실시예에서, 2차 패턴은 공간 광 변조기를 통해 이미징된 높은 세기의 가시 광선, UV 또는 IR 램프, 또는 공간 광 변조기 또는 레이저 어레이를 통해 이미징된 고출력 레이저로부터 1D 또는 2D 패턴으로 정렬되는 1 내지 N 소스의 범위일 수 있다. 2차 레이저 어레이는 레이저 다이오드 어레이 또는 개별 레이저 시스템에 연결된 섬유 어레이일 수 있다.In embodiments, the secondary pattern can range from 1 to N sources arranged in a 1D or 2D pattern, such as high intensity visible light, UV or IR lamps imaged through a spatial light modulator, or high power lasers imaged through a spatial light modulator or a laser array. The secondary laser array can be a laser diode array or a fiber array coupled to a separate laser system.

2-D 2-D 패터닝Patterning 시스템System

바람직한 실시예는 금속 부품을 인쇄할 때 열 또는 에너지 소스로서 2차원(2D) 섬유 번들 또는 레이저 어레이를 사용하는 것이다. 몇몇 2-D 섬유 번들 및 이들이 생성하는 레이저 패턴 또는 다중 스폿 이미지의 예가 도 8d 내지 도 8f에 도시된다. 도 8f는 정사각형 또는 직사각형 광섬유의 어레이로부터 형성된 정사각형 스폿의 이미지, 또는 이들 스폿을 제공하기 위해 빔을 형상화하는 기타 광학 장치이다. 실시예에서, 1-D 패터닝 시스템과 2-D 패터닝 시스템의 실시예로부터의 변화는 프린터 헤드에 더 많은 섬유 열(도 8d와 도 8e의 비교) 및 더 큰 주소지정 가능한 영역을 추가한 것이다. 이들 2-D 소스는 프린터 시스템의 스캔 속도와 인쇄된 패턴의 크기에 따라서 3 W, 10 W, 20 W, 100 W, 150 W, 약 50 W 내지 약 2 kW, 약 250 W 내지 약 1 kW 및 수-kW의 개별 레이저 출력 레벨을 가질 수 있다.A preferred embodiment uses two-dimensional (2D) fiber bundles or laser arrays as the heat or energy source when printing metal parts. Examples of several 2-D fiber bundles and the laser patterns or multi-spot images they produce are illustrated in FIGS. 8D-8F . FIG. 8F is an image of a square spot formed from an array of square or rectangular optical fibers, or other optical devices shaping the beam to provide these spots. In an embodiment, a variation from the 1-D patterning system and the 2-D patterning system embodiments is the addition of more fiber rows to the printer head (compare FIGS. 8D and 8E ) and a larger addressable area. These 2-D sources can have individual laser power levels of 3 W, 10 W, 20 W, 100 W, 150 W, about 50 W to about 2 kW, about 250 W to about 1 kW, and several kW, depending on the scan speed of the printer system and the size of the printed pattern.

2-D 패터닝 시스템은 또한, 단일 2차 레이저 소스, 2차 레이저 소스 어레이 또는 2차 레이저 소스 번들 및 이들의 조합 및 변형과 조합되어, 인쇄되는 패턴의 예열 또는 제어된 냉각을 위해서 에너지를 제공할 수 있다. 실시예에서 분말 층 상의 고출력 이미지는 단일 2차 층에 씌워질 수 있다. 도 9a 내지 도 9f를 참조하면, 1차 이미지와 2차 이미지의 합성 이미지의 실시예의 평면도가 도시된다. 1차 및 2차 빔 패턴의 이동 방향은 각각의 도면에 화살표로 표시된다.The 2-D patterning system can also be combined with a single secondary laser source, an array of secondary laser sources or a bundle of secondary laser sources and combinations and variations thereof to provide energy for preheating or controlled cooling of the pattern to be printed. In an embodiment, a high power image on a powder layer can be overlaid on a single secondary layer. Referring to FIGS. 9A-9F , plan views of embodiments of composite images of a primary image and a secondary image are illustrated. The direction of travel of the primary and secondary beam patterns is indicated by arrows in each drawing.

도 9a는 이동 방향에 대해 경사지게 그리고 원형의 2차 이미지에 완비된 직선 1-D 다중 스팟 1차 이미지의 실시예를 도시한다.Figure 9a illustrates an embodiment of a rectilinear 1-D multi-spot primary image angled with respect to the direction of movement and complete with a circular secondary image.

도 9b는 스폿의 기울기 각도에 의해 보상되는 각각의 스폿 사이에 사 공간(dead space)을 갖는 기울어진 어레이 1-D 이미지인 1차 이미지 및 융합 이전에 분말을 예열하기 위해 2차 레이저 소스에 의해 제공되는 단일 2차 이미지의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 2차 이미지는 1차 빔 패턴에 인접하지만 중첩되지는 않는다.Figure 9b illustrates an embodiment of a first image, which is a tilted array 1-D image with dead space between each spot compensated for by the tilt angle of the spots, and a single second image provided by a second laser source to preheat the powder prior to fusion. In this embodiment, the second image is adjacent to, but not overlapping with, the first beam pattern.

도 9c는 구축 순서를 통해 온도를 제어하기 위한 예열 및 후 융합 에너지를 모두 제공하기 위해 직사각형 2차 레이저 이미지와 중첩된 단순한 선형 어레이 1차 이미지의 실시예를 도시한다.Figure 9c illustrates an embodiment of a simple linear array primary image overlaid with a rectangular secondary laser image to provide both preheat and post-fusion energy to control temperature through the build sequence.

도 9d는 주어진 스캔 속도에 필요한 에너지를 제공하여 분말의 온도를 용융 온도 바로 아래로 가져오고 용접 후 재료를 어닐링하기 위한 수단을 제공하기 위해 단일 타원형 2차 레이저 스폿에 의해 중첩된 이격된 2-D 어레이 패턴의 실시예를 도시한다.Figure 9d illustrates an embodiment of a spaced 2-D array pattern overlapped by a single elliptical secondary laser spot to provide the energy required for a given scan rate to bring the temperature of the powder just below the melting temperature and provide a means to anneal the material after welding.

도 9e는 1차 이미지에 인접하고 그 전방에 있는 2차 레이저 소스로부터의 단일 예열 빔 이미지를 갖는 고밀도 섬유 어레이로부터의 2-D 1차 이미지의 실시예를 도시한다.Figure 9e illustrates an embodiment of a 2-D primary image from a high-density fiber array with a single preheat beam image from a secondary laser source adjacent to and in front of the primary image.

도 9f는 인접한 정사각형 섬유의 조밀한 어레이로부터의 2-D 1차 이미지의 실시예를 도시한다. 실시예에서 정사각형은 처리 갭(processing gap)을 최소화하기 위해 중첩된다. 이러한 조밀한 어레이 패턴은 분말을 예열하기 위한 목적으로 2차 레이저 소스에 의해 중첩되어, 용융 및 접합 단계 중에 추가 에너지를 제공하고 마지막으로 용융 및 융합 단계 후에 일부 온도 제어를 제공한다.Figure 9f illustrates an embodiment of a 2-D primary image from a dense array of adjacent square fibers. In the embodiment, the squares are overlapped to minimize the processing gap. This dense array pattern is overlapped by a secondary laser source for the purpose of preheating the powder, providing additional energy during the melting and bonding steps, and finally providing some temperature control after the melting and fusion steps.

도 9a 내지 도 9f의 실시예 및 2차 레이저 패턴 및 이미지의 다른 실시예에서 2차 이미지 패턴에 대한 이들 2차 레이저 소스는 예를 들어, 프린트 헤드의 스캔 속도, 1차 레이저 빔의 출력 및 가열되는 영역의 크기에 따라서 약 2 와트, 약 3 와트, 약 10 와트, 약 20 와트, 약 50 와트, 약 100 와트, 약 150 와트, 약 50 와트 내지 약 2 kW, 약 10 와트 내지 약 200 W, 약 50 와트 내지 약 500 W, 약 250 와트 내지 약 1 kW 및 수-kW일 수 있다.In the embodiments of FIGS. 9A-9F and other embodiments of the secondary laser pattern and image, these secondary laser sources for the secondary image pattern can have powers of, for example, about 2 Watts, about 3 Watts, about 10 Watts, about 20 Watts, about 50 Watts, about 100 Watts, about 150 Watts, about 50 Watts to about 2 kW, about 10 Watts to about 200 W, about 50 Watts to about 500 W, about 250 Watts to about 1 kW and several kW, depending on the scan speed of the print head, the power of the primary laser beam and the size of the area to be heated.

섬유 번들 1차 레이저 소스와 섬유 번들 2차 소스를 결합하면 물체를 빌드하는 동안 예열 및 냉각 온도 주기를 변경할 수 있다. 따라서 예열 및 냉각 처리 주기는 빌드중인 빌드 항목의 조건에 맞게 변경, 예를 들어 적응될 수 있다. 이러한 방식으로 온도, 거칠기, 밀도, 방출되거나 반사되는 빛의 스펙트럼과 같은 빌드 품목의 속성에 대한 정보는 켜짐 시간 및 전력과 같은 2차 섬유 레이저 빔 속성을 변경하고 조정하는데 사용되어서, 품목의 구축 및 둘 모두와 관련하여 2차 이미지를 "즉시" 조정한다. 도 10a 내지 도 10f는 주소지정 가능한 2차 예열 패턴과 주소지정 가능한 레이저 이미지 패턴을 중첩할 때 가능한 다른 구성 및 타이밍 효과를 도시한다. 레이저 예열의 다른 장점은 상당히 많은 양의 에너지를 사용하는 전체 층 또는 챔버를 가열할 필요가 없다는 점이다.Combining a fiber bundle primary laser source with a fiber bundle secondary source allows for the preheat and cool temperature cycles to be varied while the object is being built. Thus, the preheat and cool process cycles can be varied, for example adapted, to suit the conditions of the build item being built. In this way, information about the properties of the build item, such as temperature, roughness, density, and spectrum of emitted or reflected light, can be used to vary and adjust the secondary fiber laser beam properties, such as on-time and power, thereby "on-the-fly" adjusting the secondary image with respect to both the build of the item and the subsequent build. Figures 10A-10F illustrate different configurations and timing effects that are possible when overlaying an addressable secondary preheat pattern with an addressable laser image pattern. Another advantage of laser preheating is that it is not necessary to heat an entire layer or chamber, which uses significant amounts of energy.

온도 제어 시스템Temperature control system

본 발명 이전의 종래 적층 제작 시스템은 인쇄 품질을 정확하게 제어할 수 없는 개-루프 방식으로 작동했다. 이는 이들 이전 시스템의 중대한 결점이며, 본 발명의 실시예가 해결하고 개선하고자 하는 시스템이다. 본 발명의 실시예에서, 피드백 루프는 이들 패턴이 전달되는 2차 레이저 패턴 및 분말 층뿐만 아니라 각각의 1-D 또는 2-D 패턴의 온도를 정밀하게 제어하는데 사용된다. 이러한 피드백 루프는 예를 들어, 빌드된 부품이 개-루프 시스템이 달성할 수 있는 것보다 더 낮은 다공성, 더 낮은 결함 및 더 나은 표면 거칠기를 갖는 것을 포함한 많은 장점을 제공한다. 검류계 기반 시스템에 비해 갠트리 시스템이 이동하는 속도가 상대적으로 낮기 때문에, 인쇄 패턴의 모든 지점에서 분말 층의 온도를 측정하고 인쇄 패턴의 해당 영역을 처리하는 레이저의 전력 설정을 빌드할 때 품목의 온도 프로파일에 기초하여 인쇄 공정의 조정에 따라 "즉시" 인쇄 공정 중에 실시간으로 훨씬 최적으로 변경하는 것이 가능하다. 실시예에서, 층의 온도 프로파일은 레이저 스폿 기준으로 레이저 스폿에서 모니터링되고 제어된 다음에, 레이저 스폿의 출력, 타이밍 및 둘 모두를 조정하여 품목의 빌드 공정을 제어한다. 도 11은 섬유 번들의 이미지(1101)가 카메라 센서 어레이(1102) 상에 재이미징(1103)될 수 있는 방법을 예시한다. 센서 어레이를 판독하기 위한 소프트웨어는 가열된 영역을 인식하고 각각의 영역의 평균 온도를 제공할 수 있다. 레이저 소스가 모두 동일한 전력이면, 중앙 픽셀은 출력 픽셀보다 훨씬 더 높은 온도를 판독하고 균일한 온도 프로파일이 달성될 때까지 내부 소스에 대한 전력이 감소될 수 있다. 이는 분말이 최적의 온도 범위 내에서 용융 및 융합되게 한다. 이는 2D 섬유 번들 이미지뿐만 아니라 1D 섬유 번들 이미지에도 적용된다. 일단 영역의 온도가 측정되면, 도 12에 도시된 바와 같이, 균일하거나 미리 결정된 최적 온도 프로파일이 달성될 때까지 각각의 영역에 대한 전력을 증감시키는 일련의 명령 신호가 계산된다(1204 내지 1210). 따라서, 분말 층 상의 어레이 또는 섬유 번들의 이미지(1201)는 이미지, 예를 들어, 센서, FLIR 카메라와 같은 카메라의 분석을 수신하기 위해 장치에 이미지화된다. 이는 픽셀 단위로 온도 프로파일의 매트릭스(1202)를 제공한다. 프로세서, 예를 들어 컴퓨터, 마이크로프로세서는 빌드 프로그램과 관련하여 매트릭스(1202)로부터 온도 프로파일을 보간 및 변환하고, 제어 신호(1204 내지 1210)를 개별 섬유와 관련된 레이저 또는 이들 레이저에 의해 생성된 이미지로 송신함으로써 빌드 전략을 충족하도록 레이저 출력을 조정한다. 이러한 방식으로 레이저 빔 및 빌드 프로파일의 즉시 조정이 제공된다. 또한, 레이저 소스에 실시간 피드백 신호를 제공하여 분말이 적절하게 용융되지 않는 경우, 해당 영역에 대한 전력을 증가시켜 이를 적절하게 용융시킬 가능성을 높일 수 있다. 이는 분말의 직경에 큰 변동성이 있는 영역에서 발생하며, 직경이 큰 분말은 작은 직경의 분말보다 용융에 더 많은 에너지를 필요로 한다. 이는 작은 직경의 분말이 기화되지 않게 하는데 또한 중요하므로, 레이저 소스에 대한 실시간 온도 피드백을 사용하여 큰 분말 입자를 용융시키는데 충분하지만 작은 분말 입자를 기화시키는데 불충분한 평균 영역 온도를 조절할 수 있다.Prior to the present invention, conventional additive manufacturing systems operated in an open-loop fashion, which did not allow for precise control of the print quality. This was a significant shortcoming of these prior systems, and is what embodiments of the present invention seek to address and improve. In embodiments of the present invention, a feedback loop is used to precisely control the temperature of each 1-D or 2-D pattern, as well as the secondary laser patterns and powder layers through which these patterns are delivered. This feedback loop provides many advantages, including, for example, that the built parts have lower porosity, lower defects, and better surface roughness than an open-loop system can achieve. Since the gantry system moves relatively slowly compared to a galvanometer-based system, it is possible to measure the temperature of the powder layer at every point in the print pattern and to make real-time, much more optimal changes during the print process based on the temperature profile of the article as the power setting of the laser processing that area of the print pattern is adjusted. In embodiments, the temperature profile of the layer is monitored and controlled on a laser spot-by-laser-spot basis, and then the power, timing, and both of the laser spots are adjusted to control the build process of the article. Figure 11 illustrates how an image (1101) of a fiber bundle can be re-imaged (1103) onto a camera sensor array (1102). Software for reading the sensor array can recognize the heated regions and provide an average temperature for each region. If all laser sources are of equal power, the center pixel will read a much higher temperature than the output pixels and power to the inner source can be reduced until a uniform temperature profile is achieved. This allows the powder to melt and fuse within an optimal temperature range. This applies to 1D fiber bundle images as well as 2D fiber bundle images. Once the temperature of the regions is measured, a series of command signals are calculated (1204-1210) to increase and decrease the power to each region until a uniform or predetermined optimal temperature profile is achieved, as shown in Figure 12. Thus, the image (1201) of the array or fiber bundle on the powder layer is imaged to a device for analysis by an image sensor, such as a camera, such as a FLIR camera. This provides a matrix (1202) of temperature profiles on a pixel-by-pixel basis. A processor, e.g., a computer, microprocessor, interpolates and transforms the temperature profile from the matrix (1202) in conjunction with the build program, and adjusts the laser power to meet the build strategy by sending control signals (1204-1210) to the lasers associated with the individual fibers or to the images generated by these lasers. In this way, on-the-fly adjustments of the laser beam and build profile are provided. In addition, real-time feedback signals are provided to the laser source so that if the powder is not melted properly, power to that area can be increased to increase the likelihood of melting it properly. This occurs in areas where there is a large variation in the diameter of the powder, where larger diameter powders require more energy to melt than smaller diameter powders. This is also important to prevent the smaller diameter powders from vaporizing, so that real-time temperature feedback to the laser source can be used to adjust the average area temperature sufficient to melt the larger powder particles but insufficient to vaporize the smaller powder particles.

본 시스템 및 방법의 실시예의 시스템, 처리, 구성 및 방법의 예가 표 1에 기재되어 있다.Examples of systems, processes, configurations and methods of embodiments of the present systems and methods are set forth in Table 1.

또한, 본 발명의 일반적인 실시예는 레이저 빔의 조합, 이들 조합을 만들기위한 시스템 및 조합된 빔을 이용하는 공정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 여러 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔을 하나 이상의 조합된 레이저 빔으로 조합하기 위한 어레이, 조립체 및 장치에 관한 것이다. 이들 조합된 레이저 빔은 바람직하게, 개별 소스로부터의 레이저 빔의 다양한 양태 및 특성을 보존하거나, 개선하거나 보존 및 개선한다.Furthermore, general embodiments of the present invention relate to combinations of laser beams, systems for making such combinations, and processes for utilizing the combined beams. In particular, the present invention relates to arrays, assemblies, and devices for combining laser beams from multiple laser beam sources into one or more combined laser beams. These combined laser beams preferably preserve, improve, or preserve and improve various aspects and characteristics of the laser beams from the individual sources.

본 어레이 조립체의 실시예 및 이들이 제공하는 조합된 레이저 빔은 광범위한 적용 가능성을 찾을 수 있다. 본 어레이 조립체의 실시예는 콤팩트하고 내구성이 있다. 본 어레이 조립체의 실시예는 용접, 3D 프린팅을 포함한 적층 제작; 적층 제작 - 밀링 시스템, 예를 들어, 적층 및 절삭 제작; 천문학; 기상학; 이미징; 오락을 포함한 프로젝션; 치과를 포함한 의학 등에 적용될 수 있다.Embodiments of the present array assemblies and the combined laser beams they provide may find wide application possibilities. Embodiments of the present array assemblies are compact and durable. Embodiments of the present array assemblies may be applied in welding, additive manufacturing including 3D printing; additive manufacturing - milling systems, for example, additive and subtractive manufacturing; astronomy; meteorology; imaging; projection including entertainment; medicine including dentistry, and the like.

비록 본 명세서가 청색 레이저 다이오드 어레이에 초점을 맞추고 있지만, 이러한 실시예는 본 발명에 의해 고려되는 어레이 조립체, 시스템, 공정 및 조합된 레이저 빔의 유형만을 예시한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 고상 레이저, 섬유 레이저, 반도체 레이저뿐만 아니라, 다른 유형의 레이저 그리고 이들의 조합 및 변형과 같은 다양한 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔을 조합하기 위한 어레이 조립체를 포함한다. 본 발명의 실시예는 모든 파장에 걸친 레이저 빔의 조합을 포함하며, 예를 들어 레이저 빔은 약 380 nm 내지 800 nm(예를 들어, 가시광선), 약 400 nm 내지 약 880 nm, 약 100 nm 내지 400 nm, 700 nm 내지 1 mm, 그리고 이들 다양한 범위 내의 특정 파장의 조합과 변형을 포함하는 파장을 가진다. 본 어레이의 실시예는 또한, 마이크로파 간섭성 방사선(예를 들어, 약 1 mm 초과의 파장)에서의 적용을 찾을 수 있다. 본 어레이의 실시예는 하나, 둘, 셋, 수십 또는 수백 개의 레이저 소스로부터의 빔을 조합할 수 있다. 이들 레이저 빔은 몇 밀리와트 내지 수-와트, 수-킬로와트를 가질 수 있다.Although this disclosure focuses on blue laser diode arrays, it should be understood that these embodiments are only illustrative of the types of array assemblies, systems, processes, and combined laser beams contemplated by the present invention. Accordingly, embodiments of the present invention include array assemblies for combining laser beams from a variety of laser beam sources, such as solid-state lasers, fiber lasers, semiconductor lasers, as well as other types of lasers, and combinations and variations thereof. Embodiments of the present invention include combinations of laser beams across all wavelengths, for example, laser beams having wavelengths ranging from about 380 nm to 800 nm (e.g., visible light), from about 400 nm to about 880 nm, from about 100 nm to 400 nm, from 700 nm to 1 mm, and combinations and variations of specific wavelengths within these various ranges. Embodiments of the present arrays may also find application in microwave coherent radiation (e.g., wavelengths greater than about 1 mm). Embodiments of the present arrays may combine beams from one, two, three, tens, or hundreds of laser sources. These laser beams can range in power from a few milliwatts to several watts or even several kilowatts.

본 발명의 실시예는 바람직하게, 고휘도 레이저 소스를 생성하기 위한 구성으로 조합된 청색 레이저 다이오드의 어레이로 구성된다. 이러한 고휘도 레이저 소스는 재료를 직접 처리, 즉 마킹, 절단, 용접, 브레이징(brazing), 열처리, 어닐링(annealing)하는데 사용될 수 있다. 처리될 재료, 예를 들어 출발 재료 또는 목표 재료는 임의의 재료 또는 구성요소 또는 조성물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 TFT(박막 트랜지스터), 3D 프린팅 출발 재료, 금, 은, 백금, 알루미늄 및 구리를 포함한 금속, 플라스틱, 조직 및 반도체 웨이퍼 등과 같은 반도체 구성요소를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 직접 처리에는 예를 들어, 전자 제품, 프로젝션 디스플레이(projection display) 및 레이저 라이트 쇼(laser light show) 등으로부터 금을 제거하는 작업이 포함될 수 있다.An embodiment of the present invention preferably comprises an array of blue laser diodes configured to generate a high-brightness laser source. Such a high-brightness laser source can be used to directly process a material, i.e., mark, cut, weld, braze, heat treat, or anneal the material. The material to be processed, e.g., a starting material or a target material, can include any material or component or composition, including but not limited to, thin film transistors (TFTs), 3D printing starting materials, metals including gold, silver, platinum, aluminum and copper, plastics, tissues and semiconductor components such as semiconductor wafers. Direct processing can include, for example, removing gold from electronic products, projection displays and laser light shows.

본 고휘도 레이저 소스의 실시예는 또한, 라만(Raman) 레이저 또는 Anti-Stokes 레이저를 펌핑하는데 사용될 수 있다. 라만 매체는 섬유 광학 장치 또는 다이아몬드, KGW(칼륨 가돌리늄 텅스텐 산, KGd(WO4)2), YVO4 및 Ba(NO3)2와 같은 결정체일 수 있다. 실시예에서 고휘도 레이저 소스는 400 nm 내지 500 nm의 파장 범위에서 작동하는 반도체 장치인 청색 레이저 다이오드 소스이다. 라만 매체는 휘도 변환기이며 청색 레이저 다이오드 소스의 휘도를 높일 수 있다. 휘도 개선은 단일 모드, 회절 제한 소스, 즉 1 미만, 0.7 미만, 0.5 미만, 0.2 미만 및 0.13 mm-mrad 미만의 빔 매개 변수 곱을 갖는 약 1 및 1.5의 M2을 갖는 빔을 생성하는 모든 방식까지 파장에 따라서 확장될 수 있다.Embodiments of the present high brightness laser source can also be used to pump a Raman laser or an anti-Stokes laser. The Raman medium can be a fiber optic device or a crystal such as diamond, KGW (potassium gadolinium tungstate, KGd( WO4 ) 2 ), YVO4 and Ba( NO3 ) 2 . In an embodiment, the high brightness laser source is a blue laser diode source, which is a semiconductor device operating in the wavelength range of 400 nm to 500 nm. The Raman medium is a brightness converter and can enhance the brightness of the blue laser diode source. The brightness enhancement can extend along the wavelength up to any manner that produces a beam having an M2 of about 1 and 1.5, i.e., a single mode, diffraction limited source, i.e., a beam parameter product of less than 1, less than 0.7, less than 0.5, less than 0.2 and less than 0.13 mm-mrad.

실시예에서 "n" 또는 "N"(예를 들어, 2, 3, 4 등, 수십, 수백 또는 그 이상) 레이저 다이오드 소스는 몇몇 레이저 작업 및 절차에서 마크, 용융, 용접, 절제, 어닐링, 열처리, 절단 재료 및 이들의 조합 및 변형에 사용할 수 있는 주소지정 가능한 광원을 가능하게 하는 광섬유 번들로 구성될 수 있다.In an embodiment, "n" or "N" (e.g., tens, hundreds or more) laser diode sources may be configured in a fiber optic bundle to enable an addressable light source for marking, melting, welding, ablating, annealing, heat treating, cutting materials and combinations and modifications thereof in several laser operations and procedures.

레이저 시스템의 실시예는 주소지정 가능한 레이저 전달 구성을 가진다. 시스템은 주소지정 가능한 레이저 다이오드 시스템을 가진다. 시스템은 독립적으로 주소지정 가능한 레이저 빔을 복수의 섬유에 제공한다(더 많거나 적은 수의 섬유 및 레이저 빔이 고려된다). 섬유는 보호 튜브 또는 커버에 포함된 섬유 번들로 조합된다. 광섬유 번들의 섬유는 함께 융합되어 레이저 빔을 빔 경로를 따라 초점을 맞추고 목표 재료로 레이저 빔을 지향시키는 광학 조립체를 포함하는 프린팅 헤드를 형성한다. 프린트 헤드와 분말 호퍼는 이에 따라 프린트 헤드의 운동과 함께 양의 방향으로 이동한다. 프린트 헤드 또는 호퍼를 통과할 때마다 융합된 재료 위에 추가 재료가 배치될 수 있다. 프린트 헤드는 양-방향성이며 프린트 헤드가 이동할 때 양방향으로 재료를 융합하므로, 분말 호퍼는 프린트 헤드 뒤에서 작동하여 레이저 프린팅 헤드의 다음 패스(pass)에서 융합될 빌드업 재료를 제공한다.An embodiment of a laser system has an addressable laser delivery configuration. The system has an addressable laser diode system. The system provides independently addressable laser beams to a plurality of fibers (more or fewer fibers and laser beams are contemplated). The fibers are combined into a fiber bundle contained within a protective tube or cover. The fibers of the fiber bundle are fused together to form a printing head including an optical assembly that focuses the laser beam along a beam path and directs the laser beam to a target material. The printing head and powder hopper thus move in a positive direction with the movement of the printing head. Additional material may be placed over the fused material each time the printing head or hopper passes. Since the printing head is bi-directional and fuses material in both directions as the printing head moves, the powder hopper operates behind the printing head to provide build-up material to be fused in the next pass of the laser printing head.

"주소지정 가능한 어레이(addressable array)"는 다음 중 하나 이상을 의미한다. 즉, 분말; 발사 기간; 발사 순서; 발사 위치; 빔의 출력; 빔 스폿의 형상뿐만 아니라 초점 길이(예를 들어, z 방향의 침투 깊이) 중 하나 이상이 독립적으로 변경, 제어 및 미리 결정될 수 있거나 각각의 섬유의 각각의 레이저 빔이 목표 재료로부터 매우 정밀한 최종 제품(예를 들어, 빌드 재료)을 생성할 수 있는 정확하고 미리 결정된 전달 패턴을 제공할 수 있음을 의미한다. 주소지정 가능한 어레이의 실시예는 또한, 어닐링, 절제 및 용융과 같은 다양하고 미리 결정된 정밀한 레이저 작업을 수행하기 위해 개별 빔 및 이들 빔에 의해 생성된 레이저 스톱(laser stop)에 대한 능력을 가질 수 있다.An "addressable array" means that one or more of the following: the powder; the duration of the shots; the order of the shots; the location of the shots; the power of the beams; the shape of the beam spot as well as the focal length (e.g., the penetration depth in the z direction) can be independently varied, controlled and predetermined or that each laser beam of each fiber can provide a precise and predetermined delivery pattern that can produce a very precise end product (e.g., a build material) from the target material. Embodiments of the addressable array can also have the ability for individual beams and laser stops generated by those beams to perform various predetermined precise laser operations such as annealing, ablation and melting.

다음의 예는 본 발명의 레이저 어레이, 시스템, 장치 및 방법의 다양한 실시예를 예시하기 위해 제공된다. 이들 실시예는 예시 목적을 위한 것이며 본 발명의 범주를 제한하지 않으며 그렇게 보아서도 안 된다.The following examples are provided to illustrate various embodiments of the laser arrays, systems, devices, and methods of the present invention. These examples are for illustrative purposes only and are not intended to, and should not be construed as, limiting the scope of the present invention.

예 1Example 1

작업물에 전달하기 위해 태양화 저항성 광섬유에 커플링될 수 있는 원거리 장(far-field)에서 단일 스폿을 만들기 위해 공간적으로 조합되는 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes spatially combined to create a single spot in the far field that can be coupled to a solar-resistant optical fiber for transmission to a workpiece.

예 2Example 2

레이저 빔의 유효 휘도를 증가시키기 위해 조합된 편광 빔인 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1, which are combined polarized beams to increase the effective brightness of the laser beam.

예 3Example 3

제 1 어레이의 고속 방향에서 레이저 다이오드 사이의 공간을 충전하기 위해 제 1 레이저 다이오드(들)을 반사하고 제 2 레이저 다이오드(들)을 전송하는 주기적인 판과 조합되는 레이저 다이오드의 고속 축에 있는 각각의 시준된 빔 사이에 공간이 있는 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes having a space between each collimated beam in the fast axis of the laser diodes in combination with a periodic plate that reflects the first laser diode(s) and transmits the second laser diode(s) to fill the space between the laser diodes in the fast direction of the first array.

예 4Example 4

예 3의 공간 충전을 달성하기 위해 사용되는 유리 기판 상의 패턴화된 미러.Patterned mirror on a glass substrate used to achieve space filling of example 3.

예 5Example 5

예 3의 공간 충전을 달성하기 위한 유리 기판의 한 면 상의 패턴화된 미러로서, 유리 기판은 개별 레이저 다이오드 사이의 빈 공간을 충전하기 위해 각각의 레이저 다이오드의 수직 위치를 이동하는데 충분한 두께를 가진다.A patterned mirror on one side of a glass substrate to achieve space filling of Example 3, wherein the glass substrate has a thickness sufficient to shift the vertical position of each laser diode to fill the void space between the individual laser diodes.

예 6Example 6

예 3의 공간 충전을 수행하고 예 4에 설명된 바와 같은 패턴 미러인 계단식 히트 싱크.Step heat sinks performing space filling of Example 3 and pattern mirrors as described in Example 4.

예 7Example 7

각각의 개별 레이저가 외부 공동에 의해 상이한 파장으로 고정되어 어레이의 휘도를 실질적으로 단일 레이저 다이오드 소스의 등가 휘도로 증가시키는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1, wherein each individual laser is locked to a different wavelength by an external cavity, thereby increasing the brightness of the array to substantially the equivalent brightness of a single laser diode source.

예 8Example 8

레이저 다이오드의 개별 어레이가 격자를 기반으로 한 외부 공동을 사용하여 단일 파장으로 고정되고 각각의 레이저 다이오드 어레이가 좁은 간격의 광학 필터 또는 격자를 사용하여 단일 빔으로 조합되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1, wherein individual arrays of laser diodes are locked to a single wavelength using an external cavity based on a grating, and each array of laser diodes is combined into a single beam using narrowly spaced optical filters or gratings.

예 9Example 9

더 높은 휘도 소스를 생성하기 위한 순수한 융합 실리카 코어 및 청색 펌프 광을 포함하는 불소화된 외부 코어를 갖는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber having a pure fused silica core and a fluorinated outer core containing blue pump light to produce a higher brightness source.

예 10Example 10

더 높은 휘도 소스를 생성하는 외부 코어 및 청색 펌프 광을 포함하기 위해 중앙 코어보다 더 큰 외부 코어와 함께 GeO2 도핑된 중앙 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber having a GeO 2 doped central core with outer cores larger than the central core to contain the outer core and blue pump light to generate a higher brightness source.

예 11Example 11

더 높은 휘도 소스를 생성하는 P2O5 도핑된 코어 및 청색 펌프 광을 포함하기 위해 중앙 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber having a P2O5 doped core and an outer core larger than the central core to contain the blue pump light to generate a higher brightness source.

예 12Example 12

더 높은 휘도 소스를 생성하는 등급화된 인덱스 코어 및 청색 펌프 광을 포함하기 위해 중앙 코어보다 더 큰 외부 코어를 가지는 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber having a graded index core and an outer core larger than the central core to contain blue pump light to produce a higher brightness source.

예 13Example 13

등급화된 인덱스 GeO2 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter fiber with a graded index GeO 2 doped core and an external step index core.

예 14Example 14

등급화된 인덱스 P2O5 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter fiber with graded index P2O5 doped core and external step-index core.

예 15Example 15

등급화된 인덱스 GeO2 도핑된 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter fiber with a graded index GeO 2 doped core.

예 16Example 16

등급화된 인덱스 P2O5 도핑된 코어 및 외부 스텝 인덱스 코어인 라만 변환기 섬유를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter fiber with graded index P2O5 doped core and external step-index core.

예 17Example 17

예 1의 실시예의 다른 실시예 및 변형예가 고려된다. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 다이아몬드와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 도 13은 다이아몬드 칩으로부터 청색 라만 변환된 레이저 빔의 이미지(1301) 및 스펙트럼(1302) 그리고 450 nm 내지 478 nm의 파장 이동을 도시한다. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 KGW와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 YVO4와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 Ba(NO3)2와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 고압 가스인 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 희토류 도핑된 결정체를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도의 레이저 소스를 생성하기 위해 희토류 도핑된 섬유를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이. 더 높은 휘도 개선 비율을 생성하기 위해 휘도 변환기의 외부 코어를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.Other embodiments and variations of the embodiment of Example 1 are contemplated. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as diamond to produce a higher brightness laser source. FIG. 13 illustrates an image (1301) and a spectrum (1302) of a blue Raman converted laser beam from a diamond chip and a wavelength shift from 450 nm to 478 nm. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as KGW to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as YVO 4 to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as Ba(NO 3 ) 2 to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used for pumping a high pressure gas Raman converter to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used for pumping a rare earth doped crystal to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used for pumping a rare earth doped fiber to produce a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1 used for pumping an outer core of a brightness converter to produce a higher brightness enhancement ratio.

예 18Example 18

개별 파장에서 작동되고 조합되어 원천 소스의 공간적 휘도를 보존하면서 더 높은 전력 소스를 생성하는 라만 변환 레이저의 어레이.An array of Raman converted lasers operating at individual wavelengths and combined to produce higher power sources while preserving the spatial brightness of the original sources.

예 19Example 19

이중 코어를 갖는 라만 섬유 및 필터, 섬유 브래그 격자, 1차 및 2차 라만 신호에 대한 V 수의 차이 또는 마이크로 벤드 손실(micro-bend loss)의 차이를 사용하여 고휘도 중앙 코어에서 2차 라만 신호를 억제하는 수단.Raman fibers and filters having dual cores, fiber Bragg gratings, means for suppressing second-order Raman signals in a high-brightness central core by using differences in V numbers for first- and second-order Raman signals or differences in micro-bend losses.

예 20Example 20

개별적으로 켜고 끌 수 있고 분말 층에 이미징화되어 분말을 고유한 부품으로 용융 및 융합할 수 있는 N > 1인 N 레이저 다이오드.N laser diodes with N > 1 that can be individually turned on and off and imaged onto a powder layer to melt and fuse the powder into unique components.

예 21Example 21

출력이 섬유 커플링될 수 있고 각각의 섬유가 선형 또는 비선형 방식으로 배열되어 분말에 이미징화되거나 포커싱됨으로써 분말을 층별로 독특한 형상으로 용융 또는 융합할 수 있는 고출력 레이저 빔의 주소지정 가능한 어레이를 생성할 수 있는 예 1의 N ≥ 1인 N 레이저 다이오드 어레이.An array of N laser diodes, wherein N ≥ 1 of Example 1, wherein the outputs can be fiber coupled and each fiber can be arranged in a linear or non-linear manner to image or focus onto the powder, thereby creating an addressable array of high power laser beams capable of melting or fusion of the powder layer by layer into a unique shape.

예 22Example 22

출력이 섬유 커플링될 수 있고 각각의 섬유가 선형 또는 비선형 방식으로 배열됨으로써 분말에 이미징화되거나 포커싱되어 분말을 층별로 독특한 형상으로 용융 또는 융합할 수 있는 N > 1 고출력 레이저 빔의 주소지정 가능한 어레이를 형성할 수 있는 라만 변환기를 통해 조합된 하나 이상의 레이저 다이오드 어레이.An array of one or more laser diodes combined via a Raman converter whose output can be fiber coupled and each fiber arranged in a linear or non-linear manner to form an addressable array of N > 1 high power laser beams that can be imaged or focused onto the powder to melt or fuse the powder layer by layer into a unique shape.

예 23Example 23

융합된 층 뒤에 새로운 분말 층을 제공하기 위해 레이저 소스 뒤에 위치된 분말 전달 시스템으로 분말 층을 용융 및 융합하면서 분말 층을 가로질러 N > 1 청색 레이저 소스를 이송할 수 있는 x-y 모션 시스템.An x-y motion system capable of transporting N > 1 blue laser sources across a powder layer while melting and fusing the powder layer with a powder delivery system positioned behind the laser source to provide a new layer of powder behind the fused layer.

예 24Example 24

새로운 분말 층이 배치된 후 예 20의 부품/분말 층의 높이를 증가/감소시킬 수 있는 z-모션 시스템.A z-motion system capable of increasing/decreasing the height of the part/powder layer of Example 20 after a new powder layer is placed.

예 25Example 25

z-모션 시스템은 분말 층이 레이저 소스에 의해 융합된 후 예 20의 부품/분말의 높이를 증가/감소시킬 수 있다.The z-motion system can increase/decrease the height of the part/powder of Example 20 after the powder layer is fused by the laser source.

예 26Example 26

분말이 양의 x 방향 또는 음의 x 방향으로 이동할 때 레이저 스폿(들) 바로 뒤에 배치되는 예 20에 대한 양방향 분말 배치 능력.Bidirectional powder placement capability for example 20 where the powder is placed directly behind the laser spot(s) as they move in the positive x-direction or negative x-direction.

예 27Example 27

분말이 양의 y 방향 또는 음의 y 방향으로 이동할 때 레이저 스폿(들) 바로 뒤에 배치되는 예 20의 양방향 분말 배치 능력.Bidirectional powder placement capability of Example 20, where the powder is placed directly behind the laser spot(s) as it moves in the positive y direction or negative y direction.

예 28Example 28

N > 1인 N 레이저 빔과 동축인 분말 공급 시스템.Powder supply system coaxial with N laser beam where N > 1.

예 29Example 29

분말이 중력 공급되는 분말 공급 시스템.A powder supply system in which powder is gravity fed.

예 30Example 30

분말이 불활성 기체 흐름에 동반되는 분말 공급 시스템.A powder supply system in which the powder is entrained in an inert gas flow.

예 31Example 31

N > 1이고 분말이 레이저 빔 바로 앞에 중력에 의해 배치되는 N 레이저 빔을 가로지르는 분말 공급 시스템.A powder supply system crossing an N laser beam where N > 1 and the powder is placed by gravity directly in front of the laser beam.

예 32Example 32

N > 1이고 분말이 레이저 빔을 교차하는 불활성 가스 흐름에 동반되는 N 레이저 빔을 가로지르는 분말 공급 시스템.A powder supply system traversing an N laser beam, where N > 1 and the powder is entrained in an inert gas flow intersecting the laser beam.

예 33Example 33

예를 들어, 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하여 KTP와 같은 외부 공진 이중 결정체로 구성되지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 소스 레이저 파장의 절반 또는 230 nm에서 빛을 생성하는 제 2 고조파 생성 시스템.For example, a second harmonic generation system that uses the output of a Raman converter at 460 nm and produces light at half the wavelength of the source laser, or 230 nm, using an external resonant double crystal such as a KTP, but which does not allow short-wavelength light to propagate through the fiber.

예 34Example 34

예를 들어, 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하여 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 115 nm에서 빛을 생성하는 제 3 고조파 생성 시스템.For example, a third harmonic generation system that uses an external resonant double crystal using the output of a Raman converter at 460 nm, but which does not allow shorter wavelength light to propagate through the optical fiber, to produce light at 115 nm.

예 35Example 35

예를 들어, 460 nm에서 라만 변환기의 출력을 사용하여 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 57.5 nm에서 빛을 생성하는 제 4 고조파 생성 시스템.For example, a fourth harmonic generation system that uses an external resonant double crystal using the output of a Raman converter at 460 nm, but which does not allow shorter wavelength light to propagate through the optical fiber, to produce light at 57.5 nm.

예 36Example 36

450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하여 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 광원의 절반 파장 또는 236.5 nm에서 빛을 생성하는 제 2 고조파 생성 시스템.A second harmonic generation system that uses an external resonant double crystal to generate light at half the wavelength of the source, or 236.5 nm, using the output of a rare-earth doped brightness converter such as thulium that lasers at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm, but does not allow short-wavelength light to propagate through the optical fiber.

예 37Example 37

450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하여 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 118.25 nm에서 빛을 생성하는 제 3 고조파 생성 시스템.A third harmonic generation system using an external resonant double crystal, using the output of a rare-earth doped brightness converter such as thulium that lasers at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm, but which produces light at 118.25 nm, which does not allow shorter wavelength light to propagate through the optical fiber.

예 38Example 38

450 nm에서 청색 레이저 다이오드 어레이에 의해 펌핑될 때 473 nm에서 레이저를 발산하는 툴륨과 같은 희토류 도핑된 휘도 변환기의 출력을 사용하여 외부 공진 이중 결정체를 사용하지만 단파장 빛이 광섬유를 통해 전파되는 것을 허용하지 않는 59.1 nm에서 빛을 생성하는 제 4 고조파 생성 시스템.A fourth harmonic generation system using an external resonant double crystal, using the output of a rare-earth doped brightness converter such as thulium that lasers at 473 nm when pumped by a blue laser diode array at 450 nm, but which produces light at 59.1 nm, which does not allow shorter wavelength light to propagate through the optical fiber.

예 39Example 39

가시적 또는 거의 가시적 출력을 생성하기 위해 고출력 450 nm 소스에 의해 펌핑될 수 있는 모든 다른 희토류 도핑된 섬유 및 결정체가 예 34 내지 38에서 사용될 수 있다.Any other rare-earth doped fibers and crystals that can be pumped by a high-power 450 nm source to produce visible or near-visible output can be used in Examples 34 to 38.

예 40Yes 40

라만 또는 희토류 도핑된 코어 섬유의 내부 코어를 펌핑하기 위해 고출력 가시광을 비-원형 외부 코어 또는 클래드(clad)로 발사한다.High-power visible light is fired into the non-circular outer core or clad to pump the inner core of the Raman or rare-earth doped core fiber.

예 41Example 41

펌프의 편광을 라만 발진기의 편광과 정렬함으로써 라만 섬유의 이득을 향상시키기 위해 편광 유지 섬유의 사용.Use of polarization-maintaining fibers to enhance the gain of a Raman fiber by aligning the polarization of the pump with that of the Raman generator.

예 42Example 42

특정 편광의 더 높은 휘도 소스를 생성하도록 구조화된 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter, such as an optical fiber, structured to produce a higher brightness source of a particular polarization.

예 43Example 43

특정 편광의 더 높은 휘도 소스를 생성하고 펌프 소스의 편광 상태를 유지하도록 구조화된 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 설명된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber structured to generate a higher brightness source of a particular polarization and to maintain the polarization state of the pump source.

예 44Example 44

라만 변환 효율을 개선하도록 구조화된 비-원형 외부 코어를 갖는 더 높은 휘도 소스를 생성하기 위해 광섬유와 같은 라만 변환기를 펌핑하는데 사용되는 예 1에 기재된 바와 같은 청색 레이저 다이오드의 어레이.An array of blue laser diodes as described in Example 1 used to pump a Raman converter such as an optical fiber to produce a higher brightness source having a non-circular outer core structured to improve Raman conversion efficiency.

예 45Example 45

예 1 내지 44의 실시예는 또한, 다음의 구성요소 또는 조립체, 즉 레이저가 분말 층 위에서 스캐닝되기 전에 각각의 패스의 끝에서 분말을 평평하게 하기 위한 장치; 더 높은 전력 출력 빔을 생성하기 위해 섬유 조합기를 통해 다중 저전력 레이저 모듈을 조합함으로써 레이저의 출력 전력을 스케일링하기 위한 장치; 더 높은 전력 출력 빔을 생성하기 위해 자유 공간을 통해 다중 저전력 레이저 모듈을 조합함으로써 청색 레이저 모듈의 출력 전력을 스케일링하기 위한 장치; 단일 베이스플레이트에 있는 다중 레이저 모듈을 내장 냉각 장치와 조합하기 위한 장치 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Embodiments of examples 1 to 44 may also include one or more of the following components or assemblies: a device for flattening the powder at the end of each pass before the laser is scanned over the powder layer; a device for scaling the output power of the laser by combining multiple lower power laser modules through a fiber combiner to produce a higher power output beam; a device for scaling the output power of a blue laser module by combining multiple lower power laser modules through free space to produce a higher power output beam; a device for combining multiple laser modules on a single baseplate with built-in cooling.

새롭고 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 본 발명의 실시예의 요지이거나 그와 관련된 다른 유익한 특징 및 특성의 기초가 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없다는 점에 유의한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해 본 명세서에 다양한 이론이 제공된다. 본 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구된 발명에 제공될 보호 범주를 어떤 식으로든 한정하거나 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론은 본 발명을 활용하기 위해 요구되거나 실행되지 않는다. 또한, 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 실시예의 기능-특징을 설명하기 위해 새롭고 지금까지 알려지지 않은 이론으로 이어질 수 있다는 것이 이해되며; 그리고 나중에 개발된 그러한 이론은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한하지 않는다.It is noted that it is not necessary to provide or address the theory underlying the new and innovative process, material, performance, or other advantageous features and characteristics of the embodiments of the present invention or related thereto. Nevertheless, various theories are provided herein to further advance the art in this field. The theories presented herein do not in any way limit, restrict, or narrow the scope of protection provided to the claimed invention unless expressly stated otherwise. These theories are not required or practiced to utilize the present invention. It is also understood that the present invention may lead to new and heretofore unknown theories to explain the function-features of the embodiments of the methods, articles, materials, devices, and systems of the present invention; and such theories developed later do not limit the scope of protection provided by the present invention.

본 명세서에서 표제의 사용은 명확성을 위한 것이며 어떤 식으로든 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 표제하에 설명된 공정 및 개시내용은 다양한 예를 포함한 본 명세서 전체와 관련하여 읽어야 한다. 본 명세서에서 표제의 사용은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한하지 않아야 한다.It should be understood that the use of headings in this specification is for clarity and is not intended to be limiting in any way. Accordingly, the processes and disclosures described under the headings should be read in the context of this specification as a whole, including the various examples. The use of headings in this specification should not limit the scope of protection afforded to the invention.

본 명세서에 기재된 레이저, 다이오드, 어레이, 모듈, 조립체, 활동 및 작동의 다양한 실시예는 본 명세서에 기재된 것들에 추가하여 다양한 다른 활동 및 다른 분야에서 사용될 수 있다. 다른 것들 중에서도, 본 발명의 실시예는 특허 출원 공개 번호 WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180, 및 2017/0341144 호의 방법, 장치 및 시스템과 함께 사용될 수 있으며, 이들 각각의 전체 개시는 본 명세서에 원용에 의해 포함된다. 추가로, 예를 들어 이들 실시예는 미래에 개발될 수 있는 다른 장비 또는 활동; 그리고 본 명세서의 교시에 따라 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예는 서로 상이하고 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다양한 실시예에 제공된 구성은 서로 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, A, A' 및 B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본 명세서의 교시에 따라서 다양한 조합, 예를 들어 A, C, D 그리고 A, A'', C 및 D 등으로 서로 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 제공하는 보호 범주는 특정 실시예, 특정 실시예에 기재되고 예, 또는 특정 도면의 실시예에서 기재된 구성 또는 배열로 제한되지 않아야 한다.The various embodiments of the lasers, diodes, arrays, modules, assemblies, activities, and operations described herein can be used in a variety of other activities and fields in addition to those described herein. Among other things, embodiments of the present invention can be used with the methods, devices, and systems of Patent Application Publication Nos. WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180, and 2017/0341144, the entire disclosures of each of which are herein incorporated by reference. Additionally, for example, these embodiments can be used with other equipment or activities that may be developed in the future; and with existing equipment or activities that may be modified in part in accordance with the teachings herein. Furthermore, the various embodiments described herein can be used in different and various combinations with one another. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments of the present disclosure can be used together with each other. For example, the components of the embodiment having A, A' and B and the components of the embodiment having A'', C and D can be used together with each other in various combinations, for example, A, C, D and A, A'', C and D, etc., according to the teachings of the present disclosure. Therefore, the scope of protection provided by the present disclosure should not be limited to the configurations or arrangements described in the specific embodiments, the specific embodiments and examples, or the embodiments of the specific drawings.

본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 본 명세서에 구체적으로 개시된 것 이외의 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 측면에서 제한적이지 않고 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.The present invention may be embodied in other forms than those specifically disclosed herein without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. The described embodiments are to be considered in all respects as illustrative only and not restrictive.

Claims (87)

다중-스폿 1-D 이미지, 다중-스폿 2-D 이미지 또는 둘 모두를 분말 층에 제공하기 위한 적층 제작 시스템으로서,
다중-스폿 이미지를 전송하기 위해 다수의 광섬유 어레이와 광학 연통하는 광원, 분말층의 다중-스폿 이미지의 각각의 스폿을 모니터링하기 위한 제어기 및 프린터 헤드를 포함하고,
제어기는 목표 재료상의 미리 결정된 위치에서 다수의 광섬유 어레이와 광학 연통하는 광원을 전달하기 위해 미리 결정된 순서를 갖춘 프로그램을 갖고,
프린터 헤드는 광섬유 어레이의 일 단부, 재이미징 광학 장치, 및 열 화상 카메라 시스템과 광학적으로 연통하는 열 화상 광학 시스템를 포함하고,
광섬유 어레이는 재이미징(reimaging) 광학 장치와 광학 연통하고,
재이미징 광학 장치는 상기 광원으로부터 수신한 다중-스폿 이미지를 분말층의 표면상에 형상화하도록 구성되고,
열 화상 광학 시스템은 제어 신호를 제공함으로써, 광원의 이미지에 노출된 영역의 분말층의 온도를 제어하여, 분말층의 표면상에 형상화된 다중-스폿 이미지를 제어하고,
분말층의 표면상에 형상화된 다중-스폿 이미지는 분말로부터 부품을 융합하고 조립(build)하는데 충분한 전력 밀도를 갖고,
제어 신호는 분말 층의 온도에 비례하는 신호를 포함하거나, 분말 층의 표면상에 형상화된 다중-스폿 이미지 중 각각의 스폿 이미지에서 생성된 용융 퍼들(melt puddle)의 온도에 비례하는 신호를 포함하는
적층 제작 시스템.
An additive manufacturing system for providing multi-spot 1-D images, multi-spot 2-D images, or both, to a powder layer,
A light source in optical communication with a plurality of optical fiber arrays to transmit a multi-spot image, a controller for monitoring each spot of the multi-spot image of the powder layer, and a printer head,
The controller has a program having a predetermined sequence to deliver a light source in optical communication with a plurality of optical fiber arrays at predetermined locations on the target material,
The printer head includes a thermal imaging optical system in optical communication with one end of the optical fiber array, a reimaging optical device, and a thermal imaging camera system;
The optical fiber array is in optical communication with a reimaging optical device,
The reimaging optical device is configured to image a multi-spot image received from the light source onto the surface of the powder layer,
The thermal imaging optical system controls the temperature of the powder layer in the area exposed to the image of the light source by providing a control signal, thereby controlling the multi-spot image formed on the surface of the powder layer.
The multi-spot image formed on the surface of the powder layer has sufficient power density to fuse and build parts from the powder,
The control signal comprises a signal proportional to the temperature of the powder layer, or a signal proportional to the temperature of a melt puddle generated from each spot image among the multi-spot images shaped on the surface of the powder layer.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
광원은 300 nm 내지 500 nm의 파장 범위에서 작동하는 섬유 라만 레이저 어레이로부터의 광을 커플링하는 다수의 광 섬유를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The light source comprises a plurality of optical fibers coupling light from a fiber Raman laser array operating in the wavelength range of 300 nm to 500 nm.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
광원은 360 nm 내지 550 nm의 파장 범위에서 작동하는 레이저 다이오드 어레이를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The light source comprises a laser diode array operating in a wavelength range of 360 nm to 550 nm.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
광원은 360 nm 내지 550 nm의 파장 범위에서 작동하는 레이저 다이오드에 커플링되는 다수의 광 섬유를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The light source comprises a plurality of optical fibers coupled to laser diodes operating in the wavelength range of 360 nm to 550 nm.
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
광섬유 어레이는 단일 QBH 커넥터에 장착된 섬유 번들인,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
A fiber array is a bundle of fibers mounted on a single QBH connector.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
광섬유 어레이는 독립적으로 장착된 개별 섬유인,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
A fiber array is made up of individual fibers mounted independently.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
작동 중 각각의 스폿에서 온도를 직접 모니터링하고 각각의 스폿에 대한 전력을 제어하여 스폿별로 부품의 빌드 품질을 제어하는 마이크로프로세서에 피드백 신호를 제공하기 위한 고해상도 열 화상 카메라를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Includes a high-resolution thermal imaging camera to directly monitor the temperature at each spot during operation and provide feedback signals to a microprocessor that controls power to each spot to control the build quality of the part on a spot-by-spot basis.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
작동 중 각각의 스폿에서 온도를 직접 모니터링하고 각각의 스폿에 대한 전력을 제어하여 스폿별로 부품의 빌드 품질을 제어하는 마이크로프로세서에 피드백 신호를 제공하기 위한 고온계 어레이를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including an array of pyrometers to directly monitor the temperature at each spot during operation and provide feedback signals to a microprocessor that controls power to each spot to control the build quality of the part on a spot-by-spot basis.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
프린터 헤드는 분말 층의 표면을 가로질러 1-D 또는 2-D 이미지를 옮기기 위해(translating) x-y 갠트리 시스템에 장착되는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The printer head is mounted on an xy gantry system to translate a 1-D or 2-D image across the surface of the powder layer.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
양방향으로 작동하는 중력 공급 분말 전달 시스템을 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including a gravity fed powder delivery system that operates in both directions;
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
분말을 압축하여 치밀하게 함으로써 분말 층의 다공성을 감소시키기 위해 호퍼 이동 방향과 반대 방향으로 이동하는 회전 휠을 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including a rotating wheel moving in the opposite direction to the direction of movement of the hopper to reduce the porosity of the powder layer by compacting and densifying the powder.
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
구리 분말을 융합하기 위해 청색 레이저 소스를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including a blue laser source to fuse copper powder,
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
금 분말을 융합하기 위해 청색 레이저 소스를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including a blue laser source to fuse gold powder,
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
알루미늄 분말을 융합하기 위해 청색 레이저 소스를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Containing a blue laser source for fusing aluminum powder;
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
모든 금속과 금속 합금을 융합시키기 위해 청색 레이저 소스를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Contains a blue laser source for fusing all metals and metal alloys.
Additive manufacturing system.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
재이미징 광학 장치는,
평-볼록 렌즈, 평-볼록 비구면 렌즈, 이중 또는 삼중 렌즈 쌍일 수 있는 시준기; 및
평-볼록 렌즈, 평-볼록 비구면 렌즈로 구성되는 초점 광학 장치를 포함하고,
광원은 시준 렌즈로부터 1f, 촛점 렌즈로부터 1f 떨어져 있는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The reimaging optical device is,
A collimator, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspheric lens, a double or triple lens pair; and
A focusing optical device comprising a plano-convex lens and a plano-convex aspherical lens,
The light source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
재이미징 광학 장치는,
광원으로부터 적어도 2f 떨어져 있는 렌즈; 및
반대 방향으로 렌즈로부터 적어도 2f 떨어져 있는, 분말층의 표면상에 형상화된 다중-스폿 이미지를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The reimaging optical device is,
a lens at least 2f away from the light source; and
Comprising a multi-spot image formed on the surface of the powder layer at least 2f away from the lens in the opposite direction,
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
적층 제작 시스템은 부품의 조립(building)을 실시간으로 모니터링하기 위한 광 간섭성 단층 촬영(Optical Coherence Tomography, OCT) 시스템을 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The additive manufacturing system includes an optical coherence tomography (OCT) system to monitor the building of the parts in real time.
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
프린터 헤드의 열 화상 광학 시스템은,
평-볼록 렌즈, 평-볼록 비구면 렌즈, 이중 또는 삼중 렌즈 쌍일 수 있는 시준기; 및
평-볼록 렌즈, 평-볼록 비구면 렌즈로 구성되는 초점 광학 장치를 포함하며,
광원은 시준 렌즈로부터 1f, 촛점 렌즈로부터 1f 떨어져 있는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The thermal imaging optical system of the printer head is
A collimator, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspheric lens, a double or triple lens pair; and
A focusing optical device comprising a plano-convex lens and a plano-convex aspherical lens,
The light source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
프린터 헤드의 열 화상 광학 시스템은 시준 렌즈로부터 적어도 2f 떨어져 있는 광원 및 반대 방향으로 촛점 렌즈로부터 적어도 2f 떨어져 있는 이미지를 구비한 재이미징 광학 장치인,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The thermal imaging optical system of the printer head is a reimaging optical device having a light source at least 2f away from the collimating lens and an image at least 2f away from the focusing lens in the opposite direction.
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
부품의 일부분인 이미지를 인쇄하기 위해 다중 갠트리를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including multiple gantries to print images that are part of the part.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
더 큰 연속적인 이미지를 생성하기 위해 다중 이미지 소스를 함께 조합하도록 구성되는 광학 시스템 및 다중 갠트리를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
An optical system comprising multiple gantries and configured to combine multiple image sources to produce a larger continuous image.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
간극 패턴의 단계별 반복에 의해 함께 융합되는 이미지를 체크보드 방식(checkboard fashion)으로 인쇄하기 위해 다중 갠트리를 포함하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
Including multiple gantries to print images in a checkboard fashion, which are fused together by step-by-step repetition of the gap pattern.
Additive manufacturing system.
제 1 항에 있어서,
광원은 다수의 레이저이며,
분말층의 다중-스폿 이미지의 각각의 스폿을 모니터링하기 위해 제어기 및 카메라 시스템을 추가로 포함함으로써, 결과적인 부품에서 표면 거칠기, 다공성 및 응력을 최적화하기 위해 분말의 용융 및 융합을 제어하도록 다수의 레이저 중 각각의 레이저에 대한 상기 제어기에 제어 신호를 실시간으로 제공하는,
적층 제작 시스템.
In paragraph 1,
The light source is a number of lasers,
By further including a controller and camera system to monitor each spot of the multi-spot image of the powder layer, thereby providing control signals in real time to the controller for each laser among the plurality of lasers to control melting and fusion of the powder to optimize surface roughness, porosity and stress in the resulting part.
Additive manufacturing system.
삭제delete 삭제delete
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210339318A1 (en) * 2020-05-01 2021-11-04 Vulcanforms Inc. Melt pool control in additive manufacturing systems
CN112556889B (en) * 2020-12-14 2025-03-18 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 A high irradiance heat flux sensor calibration device and calibration method
DE102020133593A1 (en) * 2020-12-15 2022-06-15 Carl Zeiss Ag Method of additively manufacturing an object and manufacturing apparatus
SE545644C2 (en) * 2021-04-22 2023-11-21 Sandvik Machining Solutions Ab Additive manufacturing device and method for controlling an additive manufacturing device
GB2606141B (en) * 2021-04-22 2023-10-25 Stratasys Powder Production Ltd Improved method, controller and apparatus for determining the onset of melting of a material
CN113305303A (en) * 2021-06-01 2021-08-27 北京凯普林光电科技股份有限公司 Blue light 3D printer and system
JP7695498B2 (en) * 2021-07-20 2025-06-19 株式会社アドテックエンジニアリング Laser processing method and laser processing device
CN114888303B (en) * 2022-05-09 2024-03-15 广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院 Blue laser additive manufacturing device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003340924A (en) * 2002-05-23 2003-12-02 Fuji Photo Film Co Ltd Additive manufacturing equipment
JP2018524178A (en) * 2015-06-10 2018-08-30 アイピージー フォトニクス コーポレーション Multiple beam additive manufacturing

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003080604A (en) * 2001-09-10 2003-03-19 Fuji Photo Film Co Ltd Laminate shaping apparatus
GB2493398B (en) * 2011-08-05 2016-07-27 Univ Loughborough Methods and apparatus for selectively combining particulate material
FR2991208B1 (en) * 2012-06-01 2014-06-06 Michelin & Cie MACHINE AND PROCESS FOR ADDITIVE MANUFACTURE OF POWDER
JP2016522312A (en) * 2013-03-15 2016-07-28 マターファブ, コーポレイションMatterfab Corp. Cartridge for additive manufacturing apparatus and method
US10562132B2 (en) * 2013-04-29 2020-02-18 Nuburu, Inc. Applications, methods and systems for materials processing with visible raman laser
US10971896B2 (en) * 2013-04-29 2021-04-06 Nuburu, Inc. Applications, methods and systems for a laser deliver addressable array
KR102143220B1 (en) * 2013-04-29 2020-08-11 마크 에스. 제디커 Devices, systems, and methods for three-dimensional printing
DE102013011676A1 (en) * 2013-07-11 2015-01-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device and method for generative component production
US11141815B2 (en) * 2013-09-24 2021-10-12 Ipg Photonics Corporation Laser processing systems capable of dithering
US10532556B2 (en) * 2013-12-16 2020-01-14 General Electric Company Control of solidification in laser powder bed fusion additive manufacturing using a diode laser fiber array
JP6359316B2 (en) * 2014-03-31 2018-07-18 三菱重工業株式会社 Three-dimensional laminating apparatus and three-dimensional laminating method
MX355451B (en) * 2014-06-20 2018-04-18 Velo3D Inc Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing.
WO2016025388A1 (en) * 2014-08-10 2016-02-18 Louisiana Tech University Foundation; A Division Of Louisiana Tech University Foundation , Inc. Methods and devices for three-dimensional printing or additive manufacturing of bioactive medical devices
CN113664223B (en) * 2014-08-27 2023-12-12 努布鲁有限公司 Applications, methods and systems for material processing using visible Raman lasers
EP3219411B1 (en) * 2014-11-14 2020-08-19 Nikon Corporation Shaping device and shaping method
DE102015103127A1 (en) * 2015-03-04 2016-09-08 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Irradiation system for a device for additive manufacturing
CN104890240B (en) * 2015-05-23 2017-01-25 哈尔滨工业大学 Nano powder laser selective melting additive manufacturing system and method
CN107921536A (en) * 2015-07-18 2018-04-17 伏尔肯模型公司 The increasing material manufacturing of the material fusion controlled by space
US20170239891A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Velo3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
US10732439B2 (en) * 2016-09-29 2020-08-04 Nlight, Inc. Fiber-coupled device for varying beam characteristics
WO2018129089A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-12 Velo3D, Inc. Optics in three-dimensional printing

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003340924A (en) * 2002-05-23 2003-12-02 Fuji Photo Film Co Ltd Additive manufacturing equipment
JP2018524178A (en) * 2015-06-10 2018-08-30 アイピージー フォトニクス コーポレーション Multiple beam additive manufacturing

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