RU2793043C2 - 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

Info

Publication number
RU2793043C2
RU2793043C2 RU2021108259A RU2021108259A RU2793043C2 RU 2793043 C2 RU2793043 C2 RU 2793043C2 RU 2021108259 A RU2021108259 A RU 2021108259A RU 2021108259 A RU2021108259 A RU 2021108259A RU 2793043 C2 RU2793043 C2 RU 2793043C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
array
laser
light source
powder
image
Prior art date
Application number
RU2021108259A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021108259A (en
Inventor
Марк ЗЕДИКЕР
Мэттью Силва СА
Жан-Мишель ПЕЛАПРАТ
Мэттью ФИНУФ
Роберт Д. ФРИТЦ
Original Assignee
Нубуру, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Нубуру, Инк. filed Critical Нубуру, Инк.
Publication of RU2021108259A publication Critical patent/RU2021108259A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2793043C2 publication Critical patent/RU2793043C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: array assemblies for combining laser beams.
SUBSTANCE: one embodiment is a system that includes a light source and is configured to provide a multi-spot 1-D image, a multi-spot 2-D image, or both on a powder pad. Moreover, the system contains a light source, which is in optical communication with an array of optical fibres for transmitting a multi-spot image. In addition, the optical fibre array is in optical communication with the imaging optics. At the same time, the image re-forming optics is configured to re-form a multi-spot image on the powder pad, and the light source provides power density for fusion and build-up of the part from the powder.
EFFECT: development of additive manufacturing systems that allow precise control of the print quality, in particular, parts that are built up will have lower porosity, lower defectiveness and better surface roughness.
82 cl, 33 dwg, 1 tbl, 45 ex

Description

[0001] Данная заявка: (i) испрашивает согласно 35 U.S.C. §119(e)(1) преимущество даты подачи, и испрашивает преимущество приоритета, предварительной заявки США за № 62/726,234 поданной 1 сентября 2018 г., полное раскрытие которого включено в данное описание в порядке ссылки.[0001] This application: (i) claims under 35 U.S.C. §119(e)(1) filing date benefit, and claims priority, of U.S. Provisional Application No. 62/726,234 filed September 1, 2018, the full disclosure of which is hereby incorporated by reference.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

[0002] Настоящее изобретение относится к сборкам массивов для объединения лазерных пучков; и, в частности, к сборкам массивов, которые могут обеспечивать лазерные пучки высокий яркости для использования в системах и приложениях производства, изготовления, увеселения, графики, формирования изображения, анализа, отслеживания, сборки, стоматологической и медицинской областях.[0002] The present invention relates to array assemblies for combining laser beams; and in particular to array assemblies that can provide high brightness laser beams for use in manufacturing, fabrication, entertainment, graphics, imaging, analysis, tracking, assembly, dental and medical systems and applications.

[0003] Многие лазеры и, в частности, полупроводниковые лазеры, например, лазерные диоды, обеспечивают лазерные пучки, имеющие желаемые длины волны и качество пучка, в том числе яркость. Эти лазеры могут иметь длины волны в видимом диапазоне, UV диапазоне, IR диапазоне и их комбинации, а также более высокие и более низкие длины волны. Область полупроводниковых лазеров, а также других лазерных источников, например, волоконных лазеров, быстро развивается по мере непрерывной разработки новых лазерных источников и обеспечения существующих и новых лазерных длин волны. Имея желаемое качество пучка, многие из этих лазеров имеют более низкие мощности лазерного излучения, чем желательно или необходимо для конкретных применений. Таким образом, более низкие мощности снижают полезность и коммерческую применимость этих лазерных источников.[0003] Many lasers, and in particular semiconductor lasers such as laser diodes, provide laser beams having desired wavelengths and beam quality, including brightness. These lasers can have wavelengths in the visible range, UV range, IR range, and combinations thereof, as well as higher and lower wavelengths. The field of semiconductor lasers, as well as other laser sources such as fiber lasers, is rapidly evolving as new laser sources are continuously developed and new and existing laser wavelengths are provided. While having the desired beam quality, many of these lasers have lower laser powers than desired or needed for particular applications. Thus, lower powers reduce the usefulness and commercial applicability of these laser sources.

[0004] Дополнительно, предыдущие усилия по объединению этих типов лазера в целом были неадекватными, помимо прочего, по причинам трудности выравнивания пучков, трудности сохранения выравнивания пучков в ходе эксплуатации, потери качества пучка, трудности пространственного размещения лазерных источников, по соображениям размера, регулировки мощности, и т.д.[0004] Additionally, previous efforts to combine these types of lasers have generally been inadequate, among other things, for reasons of difficulty in beam alignment, difficulty in maintaining beam alignment during operation, loss of beam quality, difficulty in spatial placement of laser sources, due to size considerations, power adjustment , etc.

[0005] Инфракрасные (IR) (например, имеющие длины волны больше 700 нм и, в частности, больше 1000 нм) системы аддитивного производства, которые используют гальванометрической сканер, страдают, помимо прочего, двумя недостатками, которые оба ограничивают объем наращивания и скорость наращивания. В этих IR лазерных системах, объем наращивания ограничивается конечным размером системы сканирования, и пятном, которое может создаваться для коллиматора с данным фокусным расстоянием и линзы f-theta. Например, при использовании коллиматора с фокусным расстоянием 140 мм и линзы F-theta с фокусным расстоянием 500 мм размер пятна для лазера 1 мкм составляет приблизительно 40 мкм для одномодовый лазер с дифракционно-ограниченным пучком в ближнем поле. Это дает адресуемый отпечаток на порошковой подушке размером приблизительно 175 мм × 175 мм, что является ограничением на размер детали, которая может наращиваться. Вторым ограничением на скорость наращивания для IR лазерной системы является поглощение лазерного пучка порошковым материалом. Большинство необработанных материалов имеет отражательную способность от умеренной до высокой для длин волны в инфракрасном спектре. В результате, подача инфракрасной лазерной энергии в порошковую подушку ограничивается тем, что значительная часть энергии отражается, назад или глубже в порошковую подушку. Эти ограничения в известном смысле дополнительно связаны друг с другом, усугубляя проблемы и недостатки IR аддитивных систем. Таким образом, конечная глубина проникновение инфракрасного света определяет оптимальную толщину слоя и, в результате, ограничивает разрешение и скорость процесса. Эти и другие недостатки IR производства и систем и процессов наращивание до сих пор не были адекватно решены. Таким образом, давно ощущаемая потребность в усовершенствовании систем и процессов аддитивного производства не удовлетворяется.[0005] Infrared (IR) (e.g., having wavelengths greater than 700 nm and in particular greater than 1000 nm) additive manufacturing systems that use a galvanometric scanner suffer, among other things, from two disadvantages that both limit build volume and build speed . In these IR laser systems, the amount of buildup is limited by the final size of the scan system, and the spot that can be created for a given focal length collimator and f-theta lens. For example, when using a 140 mm collimator and a 500 mm F-theta lens, the spot size for a 1 µm laser is approximately 40 µm for a near-field single-mode diffraction-limited beam laser. This gives an addressable powder pad print of approximately 175 mm x 175 mm, which is a limit on the size of the part that can be built up. The second limitation on the growth rate for an IR laser system is the absorption of the laser beam by the powder material. Most untreated materials are moderate to high reflective for infrared wavelengths. As a result, the delivery of infrared laser energy to the powder pad is limited in that a significant portion of the energy is reflected back or deeper into the powder pad. These limitations are in a sense additionally related to each other, exacerbating the problems and disadvantages of IR additive systems. Thus, the final penetration depth of infrared light determines the optimum layer thickness and, as a result, limits the resolution and speed of the process. These and other shortcomings of IR production and system and process build-up have not yet been adequately addressed. Thus, the long-felt need to improve AM systems and processes is not being met.

[0006] Используемые здесь, если в явном виде не указано обратное, термины “синие лазерные пучки”, “синие лазеры” и “синий” следует понимать в самом широком смысле, и в общем случае относятся к системам, которые обеспечивают лазерные пучки, лазерные пучки, лазерные источники, например, лазеры и лазерные диоды, которые обеспечивают, например, распространяют, лазерный пучок или свет, имеющий длину волны от 400 нм до 500 нм и от около 400 нм до около 500 нм. Синие лазеры включают в себя длины волны 450 нм, около 450 нм, 460 нм, около 460 нм. Синие лазеры могут иметь полосы от около 10 пкм до около 10 нм, около 5 нм, около 10 нм и около 20 нм, а также большие и меньшие значения.[0006] As used herein, unless explicitly stated otherwise, the terms "blue laser beams", "blue lasers" and "blue" should be understood in the broadest sense, and generally refer to systems that provide laser beams, laser beams, laser sources such as lasers and laser diodes which provide, for example, propagate, a laser beam or light having a wavelength of 400 nm to 500 nm and about 400 nm to about 500 nm. Blue lasers include wavelengths of 450nm, about 450nm, 460nm, about 460nm. Blue lasers can have bands from about 10 pkm to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, and more and less.

[0007] Используемый здесь, если в явном виде не указано обратное, “UV”, ультрафиолетовый”, “UV спектр” и “UV участок спектра” и аналогичные термины, следует понимать в самом широком смысле, и будет включать в себя свет с длинами волны от около 10 нм до около 400 нм и от 10 нм до 400 нм.[0007] As used herein, unless explicitly stated otherwise, “UV”, ultraviolet”, “UV spectrum” and “UV region of the spectrum” and similar terms, should be understood in the broadest sense, and will include light with lengths wavelengths from about 10 nm to about 400 nm and from 10 nm to 400 nm.

[0008] Используемые здесь, если в явном виде не указано обратное, термины “видимый”, “видимый спектр” и “видимый участок спектра” и аналогичные термины следует понимать в самом широком смысле, и будет включать в себя свет с длинами волны от около 380 нм до около 750 нм и от 400 нм до 700 нм.[0008] As used herein, unless explicitly stated otherwise, the terms "visible", "visible spectrum" and "visible spectrum" and similar terms should be understood in the broadest sense, and will include light with wavelengths from about 380 nm to about 750 nm and 400 nm to 700 nm.

[0009] Используемые здесь, если в явном виде не указано обратное, термины “зеленый лазерные пучки”, “ зеленые лазеры ” и “зеленый” следует понимать в самом широком смысле и в общем случае относятся к системам, которые обеспечивают лазерные пучки, лазерные пучки, лазерные источники, например, лазеры и лазерные диоды, которые обеспечивают, например, распространяют, лазерный пучок или свет, имеющий диапазон длины волны от 500 нм до 700 нм и от около 500 нм до около 700 нм. Зеленые лазеры включают в себя длины волны 515 нм, около 515 нм, 550 нм и около 550 нм. Зеленые лазеры могут иметь полосы от около 10 пкм до 10 нм, около 5 нм, около 10 нм и около 20 нм, а также большие и меньшие значения.[0009] As used herein, unless explicitly stated otherwise, the terms "green laser beams", "green lasers" and "green" should be understood in the broadest sense and generally refer to systems that provide laser beams, laser beams , laser sources, such as lasers and laser diodes, which provide, for example, propagate, a laser beam or light having a wavelength range from 500 nm to 700 nm and from about 500 nm to about 700 nm. Green lasers include wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 550 nm, and about 550 nm. Green lasers can have bands from about 10 pkm to 10 nm, about 5 nm, about 10 nm and about 20 nm, as well as greater and lesser values.

[0010] В целом используемый здесь термин “около” и символ “~”, если не указано обратное, призван охватывать разброс или диапазон ±10%, экспериментальную или инструментальную погрешность, связанную с получением указанного значения и, предпочтительно, превышающую их.[0010] In general, the term “about” and the symbol “~” as used herein, unless otherwise indicated, are intended to cover the spread or range of ±10%, experimental or instrumental error associated with obtaining the specified value and, preferably, exceeding them.

[0011] Используемая здесь, если не указано обратное, комнатная температура составляет 25°C. И стандартные внешние температура и давление составляют 25°C и 1 атмосферу. Если в явном виде не указано обратное, все испытания, результаты испытаний, физические свойства и значения, зависящие от температуры, зависящие от давления или и те, и другие, обеспечиваются при стандартных внешних температуре и давлении, будут включать в себя вязкости.[0011] Used here, unless otherwise indicated, room temperature is 25°C. And the standard external temperature and pressure is 25°C and 1 atmosphere. Unless explicitly stated otherwise, all tests, test results, physical properties, and values dependent on temperature, dependent on pressure, or both, provided at standard ambient temperature and pressure, will include viscosities.

[0012] Используемое здесь, если не указано обратное, упоминание диапазонов значений призвано лишь выступать в роли способа обозначения, указывающего по отдельности каждое отдельное значение, попадающее в диапазон. Если здесь не указано обратное, каждое отдельное значение в диапазоне включено в состав описания изобретения, как если бы оно было индивидуально упомянуто здесь.[0012] Used here, unless otherwise indicated, the reference to ranges of values is intended only to act as a method of notation that indicates individually each individual value that falls within the range. Unless otherwise stated here, each individual value in the range is included in the description of the invention, as if it were individually mentioned here.

[0013] Обычно предыдущий способ, применяемый в аддитивном производстве, является использование инфракрасного лазера и гальванометра для сканирования лазерным пучком поверхности порошковой подушки в сварочном процессе, который плавит и сплавляет ожиженный порошок с нижним слоем или подложкой. Этот подход имеет несколько ограничений, которые определяют скорость процесса и другие недостатки в процессе. Например, единый лазерный пучок используется для сканирования поверхности, и скорость наращивания ограничивается максимальной скоростью сканирования гальванометров (7 м/с). Производители широко применяют IR технологию и обычно предполагают, что это единственная пригодная длина волны, на которой они работают, но с ограниченным успехом, для преодоления этого ограничения путем ограничения двух или более IR лазера/гальванометров в систему, где оба могут работать совместно для наращивания единой детали или они могут работать независимо для параллельного наращивания деталей. Эти усилия нацелены на повышение пропускной способности систем аддитивного производства, но сосредоточены только на IR и имели ограниченный успех, не отвечающий давно ощущаемой потребности в усовершенствованном аддитивном производстве.[0013] A typically previous method used in additive manufacturing is to use an infrared laser and a galvanometer to scan the surface of the powder bed with a laser beam in a welding process that melts and fuses the fluidized powder to the underlying layer or substrate. This approach has several limitations that determine the speed of the process and other disadvantages in the process. For example, a single laser beam is used to scan the surface, and the buildup rate is limited by the maximum scanning speed of the galvanometers (7 m/s). Manufacturers make extensive use of IR technology and generally assume that this is the only usable wavelength they operate at, with limited success, to overcome this limitation by limiting two or more IR lasers/galvanometers to a system where both can work together to build a single parts or they can work independently to build parts in parallel. These efforts aim to increase the throughput of AM systems, but focus only on IR and have met with limited success, falling short of the long-felt need for improved AM.

[0014] Примером другого ограничения в IR обработке является высокая интенсивность лазерного пятна, что переводит систему в режим сварки "замочная скважина", что обуславливает распыление и пористость в детали. Например, благодаря линзе f-theta с фокусным расстоянием 500 мм, IR лазер создает пятно размером порядка 40-50 мкм для инфракрасного лазера с дифракционно-ограниченным пучком. Если лазерный пучок действует на оптической мощности 100 Вт, то интенсивность пучка больше интенсивности, необходимой для инициирования режима сварки "замочная скважина". Режим сварки "замочная скважина" создает фонтан испаренного материала, который перекрестной струи, иначе лазерный пучок будет рассеиваться и поглощаться испаренным металлом. Кроме того, поскольку режим замочной скважины сварки опирается на создание отверстия в поверхности жидкого металла, который поддерживается давлением пара испаренного металла, испаренный металл может выбрасываться из замочной скважины. Этот материал подвергается распылению и приводит к осаждению расплавленных материалов в другом месте на плоскости наращивания, что может приводить к дефектам в окончательной детали. Хотя производители систем аддитивного производства достигли некоторого ограниченного успеха в разработке аппараты быстрого макетирования, им не удалось удовлетворить давно ощущаемой потребности и выполнить требования, необходимые для формирования коммерческих или фактических деталей в объеме. Для осуществления этого прорыва в способе формирования рисунка деталей, который не был достигнут в уровне техники.[0014] An example of another limitation in IR processing is the high intensity of the laser spot, which puts the system in keyhole welding mode, which causes sputtering and porosity in the part. For example, thanks to a f-theta lens with a focal length of 500 mm, an IR laser creates a spot size of the order of 40-50 microns for an infrared laser with a diffraction-limited beam. If the laser beam operates at an optical power of 100 W, then the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a fountain of vaporized material that crosses the jet, otherwise the laser beam will scatter and be absorbed by the vaporized metal. In addition, since the keyhole mode of welding relies on creating a hole in the surface of the liquid metal, which is supported by the vapor pressure of the vaporized metal, the vaporized metal can be ejected from the keyhole. This material is sprayed and results in the deposition of molten materials elsewhere on the build-up plane, which can lead to defects in the final part. Although manufacturers of additive manufacturing systems have had some limited success in developing rapid prototyping machines, they have not been able to meet the long-felt need and requirements needed to form commercial or actual parts in volume. To realize this breakthrough in the method of forming the pattern of parts, which has not been achieved in the prior art.

[0015] В общем случае, проблема неудачи с системами IR обработки состоит в требовании или необходимости сплавления порошка в режиме сварки "замочная скважина". Это может быть обычно следствием использования единого пучка для обработки порошка. Если лазерный пучок действует на оптической мощности 100 Вт, то интенсивность пучка больше интенсивности, необходимой для инициирования режима сварки "замочная скважина". Режим сварки "замочная скважина" создает фонтан испаренного материала, который перекрестной струи, иначе лазерный пучок будет рассеиваться и поглощаться испаренным металлом. Кроме того, поскольку режим замочной скважины сварки опирается на создание отверстия в поверхности жидкого металла, который поддерживается давлением пара испаренного металла, материал например испаренный металл может выбрасываться из замочной скважины. Этот материал подвергается распылению и приводит к осаждению расплавленных материалов в другом месте на плоскости наращивания, что может приводить к дефектам в окончательной детали.[0015] In general, a problem with IR processing systems is the requirement or need to fuse the powder in the keyhole welding mode. This can usually be a consequence of using a single beam to process the powder. If the laser beam operates at an optical power of 100 W, then the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a fountain of vaporized material that crosses the jet, otherwise the laser beam will scatter and be absorbed by the vaporized metal. In addition, since the keyhole mode of welding relies on creating a hole in the surface of the liquid metal, which is supported by the vapor pressure of the vaporized metal, material such as vaporized metal can be ejected from the keyhole. This material is sprayed and results in the deposition of molten materials elsewhere on the build-up plane, which can lead to defects in the final part.

[0016] Для разрешения этих ограничений IR в последний раз Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса предприняла попытку использовать оптически активируемый световой клапан (OALV). OALV является пространственным модулятором света высокой мощности, который используется для создания светового рисунка с использованием лазеров высокой мощности. Хотя рисунок на OALV создается синим LED или лазерным источником от проектора, выходная мощность из четырех массивов лазерных диодов передаются через пространственный модулятор света и используются для нагрева изображения до точки плавления, и для инициирования сварки в режиме замочной скважины требуется IR лазер с модулируемой добротностью. IR лазеры используются в режиме замочной скважины для инициирования сварки, в особенности при сплавлении материалов меди или алюминия. Этот процесс сварки в режиме замочной скважины может создавать распыление и пористость в детали, а также высокую шероховатость поверхности, и в целом необходим для этих материалов. Этот процесс сварки в режиме замочной скважины обычно создает распыление, пористость в детали, а также высокая шероховатость поверхности. Таким образом, система OALV, как и типичные IR системы не исключает неблагоприятные эффекты инициирования замочной скважины процесса наращивания. Хотя было бы лучше полностью избегать этапа сварки в режиме замочной скважины, уровню техники не удалось преодолеть эту проблему и не обеспечил это решение. Эта неудача в основном обусловлена тем, что на IR длинах волны свойства поглощения многих металлов настолько низки, что лазер высокой пиковый мощности требуется для инициирования процесса. Поскольку OALV прозрачна только в IR области спектра, невозможно построить или использовать этот тип системы с использованием лазерного источника видимого света в качестве источника света высокой энергии. Стоимость компонентов в этой системе очень высока в особенности OALV, который является заказным компонентом.[0016] To resolve these restrictions, IR last time Livermore National Laboratory. Lawrence attempted to use an optically activated light valve (OALV). OALV is a high power spatial light modulator that is used to create a light pattern using high power lasers. Although the pattern on the OALV is created by a blue LED or laser source from a projector, the output power from the four laser diode arrays is sent through a spatial light modulator and used to heat the image to its melting point, and a Q-switched IR laser is required to initiate keyhole welding. IR lasers are used in keyhole mode to initiate welding, especially when alloying copper or aluminum materials. This keyhole welding process can create sputtering and porosity in the part, as well as high surface roughness, and is generally required for these materials. This keyhole welding process typically creates sputtering, porosity in the part, and high surface roughness. Thus, the OALV system, like typical IR systems, does not eliminate the adverse effects of keyhole initiation of the buildup process. While it would be better to avoid the keyhole welding step entirely, the prior art has not been able to overcome this problem and has not provided this solution. This failure is mainly due to the fact that at IR wavelengths the absorption properties of many metals are so low that a high peak power laser is required to initiate the process. Because OALV is only transparent in the IR region of the spectrum, it is not possible to build or use this type of system using a visible laser light source as the high energy light source. The cost of the components in this system is very high especially OALV which is a custom component.

[0017] Предыдущие аппараты аддитивного производства на основе металла очень ограничены в том, что они либо основаны на использовании связующего вещества, напыляемого на порошковую подушку, сопровождаемого этапом отверждения при высоких температурах, либо одномодовый лазерный пучок высокой мощности сканируется по порошковой подушке гальванометрической системой на высоких скоростях. Обе эти системы имеют значительные недостатки, которые не удается преодолеть в уровне техники. Первая система способна к производству деталей высокого объема с большими допусками в силу сжатия деталей в процессе отверждения. Второй процесс ограничивается по скорости наращивания скоростями сканирования гальванометра, ограничивающего максимальный уровень мощности лазера, который может использоваться и, следовательно, скорость наращивания. Наращиватели систем на основе сканирования аддитивного производства работали для преодоления этого ограничения аппаратами наращивания с множественными сканирующими головками и лазерными системами, что не обеспечивает адекватное решение этих проблем. Это действительно увеличивает пропускную способность, но закон масштабирования является линейным, другими словами, система с двумя лазерными сканерами может наращивать вдвое больше деталей, чем система с одним сканером или наращивать одну деталь вдвое быстрее. Таким образом, требуется лазерная система аддитивного производства металла с высокой пропускной способностью, которая не страдает ограничениями систем, доступных в настоящее время.[0017] Previous metal-based additive manufacturing apparatuses are very limited in that they either rely on the use of a binder sprayed onto a powder bed followed by a high temperature curing step, or a high power single-mode laser beam is scanned over the powder bed by a galvanometer system at high speeds. Both of these systems have significant drawbacks that cannot be overcome in the prior art. The first system is capable of producing high volume parts with large tolerances due to compression of the parts during the curing process. The second process is limited in buildup speed by the scan rates of the galvanometer, which limits the maximum laser power level that can be used and hence the buildup speed. Additive manufacturing scan-based system builders have worked to overcome this limitation with builders with multiple scan heads and laser systems that do not provide an adequate solution to these problems. This does increase throughput, but the scaling law is linear, in other words, a system with two laser scanners can grow twice as many parts as a system with a single scanner, or grow one part twice as fast. Thus, a high throughput laser metal additive manufacturing system is required that does not suffer from the limitations of the systems currently available.

[0018] Этот раздел "уровень техники" предназначен для описания различных аспектов уровня техники, которые могут быть связаны с варианты осуществления настоящего изобретения. Таким образом, вышеприведенное рассмотрение в этом разделе обеспечивает основу для лучшего понимания настоящего изобретения, и не подлежит рассмотрению как допущение традиционной техники.[0018] This "prior art" section is intended to describe various aspects of the prior art that may be related to embodiments of the present invention. Thus, the foregoing discussion in this section provides a basis for a better understanding of the present invention, and should not be construed as an admission of the conventional art.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0019] Существует давнишняя и не удовлетворенная потребность в, помимо прочего, сборках и системах для объединения множественных источников лазерного пучка в одном или нескольких лазерных пучков, при этом поддерживая и повышая желаемое качество пучка, например, яркость и мощность. Настоящее изобретение, помимо прочего, удовлетворяет этим потребностям путем обеспечения предложенных и раскрытых здесь изделий производства, устройств и процессов.[0019] There has been a longstanding and unmet need for, among other things, assemblies and systems for combining multiple laser beam sources into one or more laser beams while maintaining and improving desired beam quality, such as brightness and power. The present invention, among other things, satisfies these needs by providing proposed and disclosed here, the products of production, devices and processes.

[0020] Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает систему аддитивного производства на основе 1-D или 2-D массива лазерных пучков, способного непосредственно сплавлять порошок параллельно с возможностью последовательного шагового переноса с использованием точной портальной системы (фиг. 1, 2, 3). Скорость может увеличиваться путем добавления 1-D или 2-D вторичного лазерного пучка для предварительного нагрева и управляемого охлаждения (фиг. 4). Этот вторичный лазер также может быть адресуемым массивом лазерных пучков для обеспечения рисунка предварительного нагрева, согласующегося с наращиваемым рисунком.[0020] An embodiment of the present invention provides an additive manufacturing system based on a 1-D or 2-D array of laser beams capable of directly fusing powder in parallel with the possibility of sequential stepping using a precise portal system (Fig. 1, 2, 3). The speed can be increased by adding a 1-D or 2-D secondary laser beam for preheating and controlled cooling (FIG. 4). This secondary laser may also be an addressable array of laser beams to provide a preheat pattern consistent with the buildup pattern.

[0021] Другой элемент варианта осуществления изобретения предусматривает использование камеры для отслеживания температуры в реальном времени, например, камеры теплового формирования изображения. Камера может использоваться для отслеживания в реальном времени температуры порошкового слоя при его переходе из твердого состояния в жидкое, и изображение на камере может коррелировать с наносимым лазерным рисунком, и уровень мощности отдельных лазерных пучков можно регулировать согласно заранее определенному требованию для обеспечения правильного сплавления и охлаждения отпечатанной детали. Это регулирование температуры с обратной связью, обеспечивало дополнительные преимущества, например, для минимизации пористости изготавливаемой детали, а также для оптимизации шероховатости поверхности и для минимизации остаточных напряжений в детали.[0021] Another element of the embodiment of the invention involves the use of a camera for monitoring temperature in real time, for example, a thermal imaging camera. The camera can be used to monitor the real-time temperature of the powder layer as it changes from solid to liquid, and the image on the camera can be correlated with the applied laser pattern, and the power level of individual laser beams can be adjusted according to a predetermined requirement to ensure proper fusion and cooling of the printed details. This feedback temperature control provided additional benefits, such as minimizing the porosity of the manufactured part, as well as optimizing surface roughness and minimizing residual stresses in the part.

[0022] Согласно варианту осуществления настоящего изобретения включено средство для осаждения порошка в реальном времени в любом направлении в процессе печати, а также для уплотнения порошковой подушки для минимизации пористости порошковой подушки. Основным механизмом для плавления и сплавления порошка будет сварка в режиме проводимости в отличие от гальванометрической сканирующей системы, где применяется режим замочной скважины сварка. Этот подход минимизирует распыление и требования к защите окон и оптики изготовленных деталей.[0022] According to an embodiment of the present invention, means are included for depositing the powder in real time in any direction during the printing process, as well as for compacting the powder pad to minimize the porosity of the powder pad. The main mechanism for melting and fusing the powder will be conduction welding as opposed to a galvanometric scanning system where keyhole welding is used. This approach minimizes sputtering and window and optic protection requirements for fabricated parts.

[0023] Согласно варианту осуществления, настоящее изобретение включает в себя герметичную оболочку для формирования бескислородной среды и систему рециркуляции газа, непрерывно очищающую используемую газовую смесь. Фильтрация газовой смеси необходима по той причине, что летучие порошки и сварочные аэрозоли, не удаленные из среды, могут оказывать влияние на качество изображения и, следовательно, на качество наращиваемой детали.[0023] According to an embodiment, the present invention includes a sealed enclosure for forming an oxygen-free environment and a gas recirculation system continuously purifying the used gas mixture. Filtration of the gas mixture is necessary because volatile powders and welding fumes that are not removed from the environment can affect the image quality and, consequently, the quality of the built-up part.

[0024] Согласно варианту осуществления, настоящее изобретение включает в себя систему микрообработки, которая осуществляет анализ перед наращиванием, разбиение детали на срезы и определение оптимальной стратегии наращивания. Когда отпечатан каждый участок рисунка детали, портальная система может перемещаться к следующей соседствующей детали рисунка или может поступать команда перемещения в любую произвольную позицию, если стратегия наращивания требует случайную печать частичного рисунка для минимизации остаточных напряжений детали.[0024] According to an embodiment, the present invention includes a micromachining system that performs pre-growth analysis, slicing the part, and determining the optimal build-up strategy. As each portion of the part pattern is printed, the gantry system may move to the next adjacent pattern detail, or may be commanded to move to any arbitrary position if the build-up strategy requires random printing of a partial pattern to minimize residual stresses on the part.

[0025] Согласно варианту осуществления, настоящее изобретение также не требует наличия сварочного монитора помимо простой видимой камеры для наблюдения за сварочной ванночкой по мере ее распространения. Поскольку существует режим сварки без замочной скважины, сварочная ванночка очень стабильна, даже при сварке меди и алюминия, что невозможно с IR лазерным источником. IR лазерный источник должен опираться на сварочный монитор, например, сканер оптической когерентной томографии (OCT) для получения точного представления замочной скважины, и как наращивание детали развивается с нестабильностями режима замочной скважины. Поскольку режим проводимости сварки порошка с базовым материалом является очень стабильным режимом сварки, не существует распыления, сваренный порошок является очень однородным по толщине и форме, и плотность детали равна 100% в силу отсутствия испарения материала в ходе сварочного процесса.[0025] According to an embodiment, the present invention also does not require a welding monitor other than a simple visible camera to observe the weld pool as it spreads. Since there is a keyholeless welding mode, the weld pool is very stable, even when welding copper and aluminum, which is not possible with an IR laser source. The IR laser source must be supported by a welding monitor, such as an optical coherence tomography (OCT) scanner, to obtain an accurate representation of the keyhole, and how the build-up of the part develops with keyhole mode instabilities. Since the conduction mode of powder-to-base material welding is a very stable welding mode, there is no sputtering, the welded powder is very uniform in thickness and shape, and the part density is 100% due to no material evaporation during the welding process.

[0026] Таким образом, предусмотрены система аддитивного производства, процесс и лазерная система имеют один или более из вышеупомянутых признаков. Дополнительно предусмотрены лазерная система, система аддитивного производства, процесс и лазерная система, имеющие один или более из вышеупомянутых признаков совместно со следующими лазерными системами и способами.[0026] Thus, an additive manufacturing system is provided, the process and the laser system having one or more of the above features. Additionally, a laser system, an additive manufacturing system, a process, and a laser system having one or more of the above features in conjunction with the following laser systems and methods are provided.

[0027] Таким образом, предусмотрена лазерная система для осуществления лазерных операций, причем система имеет: множество сборок лазерных диодов; причем каждая сборка лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных создавать отдельный синий лазерный пучок вдоль пути лазерного пучка; средство для пространственного объединения отдельных синих лазерных пучков для создания объединенного лазерного пучка, имеющего единое пятно в дальнем поле, которое способно включаться в оптическое волокно для доставки в целевой материал; и средство для пространственного объединения отдельных синих лазерных пучков на пути лазерного пучка и в оптической связи с каждым лазерным диодом.[0027] Thus, a laser system for performing laser operations is provided, the system having: a plurality of laser diode assemblies; wherein each laser diode assembly has a plurality of laser diodes capable of producing a single blue laser beam along the path of the laser beam; means for spatially combining the individual blue laser beams to create a combined laser beam having a single far-field spot that is capable of being incorporated into an optical fiber for delivery to a target material; and means for spatially combining the individual blue laser beams in the path of the laser beam and in optical communication with each laser diode.

[0028] Дополнительно предусмотрены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: наличия по меньшей мере, трех сборок лазерных диодов; и наличия в каждой сборке лазерных диодов по меньшей мере 1 лазерного диода; где сборки лазерных диодов способны распространять лазерные пучки, имеющие полную мощность по меньшей мере около 2 Вт, и свойство параметра пучка менее 20 мм мрад; где свойство параметра пучка составляет менее 15 мм мрад; где свойство параметра пучка составляет менее 10 мм мрад; причем средство для пространственного объединения создает объединенный лазерный пучок, в N раз превышающий по плотности мощности отдельные лазерные пучки; где N - количество лазерных диодов в сборке лазерных диодов; причем средство для пространственного объединения увеличивает мощность лазерного пучка, сохраняя при этом яркость объединенного лазерного пучка; благодаря чему объединенный лазерный пучок имеет мощность, которая по меньшей мере в 50 раз больше мощности отдельного лазерного пучка и, благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в 1,5*N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в 1*N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; причем средство для пространственного объединения увеличивает плотность мощности составного лазерного пучка, сохраняя при этом яркость отдельных лазерных пучков; благодаря чему, объединенный лазерный пучок имеет плотность мощности, который по меньшей мере в 100 раз больше мощности отдельного лазерного пучка и, благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в 2*N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в 1,5*N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; благодаря чему, продукт параметра пучка объединенного лазерного пучка не превышает в 1*N раз продукт параметра пучка отдельного лазерного пучка; причем оптическое волокно устойчиво к соляризации; причем средство для пространственного объединения имеет оптические узлы, выбранные из группы, состоящей из пластин и клиньев, параллельных плоскости выравнивания, для коррекции по меньшей мере одного из ошибок позиции и ошибок указания лазерного диода; в котором средство для пространственного объединения имеет объединитель пучков поляризации, способный повышать эффективную яркость объединенных лазерных пучков по отдельным лазерным пучкам; причем сборки лазерных диодов задают отдельные пути лазерных пучков с пространством между каждым из путей, благодаря чему отдельные лазерные пучки имеют пространство между каждым пучком; и при этом средство для пространственного объединения имеет коллиматор для коллимации отдельных лазерных пучков на оси наибольшей скорости распространения света лазерных диодов, периодическое зеркало для объединения коллимированных лазерных пучков, причем периодическое зеркало выполнен с возможностью отражения первого лазерного пучка от первого диода в сборке лазерных диодов и пропускает второй лазерный пучок от второго диода в сборке лазерных диодов, благодаря чему пространство между отдельными лазерными пучками в направлении наибольшей скорости распространения света заполняется; причем средство для пространственного объединения имеет узорчатое зеркало на стеклянной подложке; причем стеклянная подложка имеет достаточную толщину для сдвига вертикальной позиции лазерного пучка от лазерного диода для заполнения пустого пространства между лазерными диодами; и имеющий ступенчатый теплоотвод.[0028] Additionally, methods and systems are provided having one or more of the following features: having at least three laser diode assemblies; and the presence in each assembly of laser diodes at least 1 laser diode; wherein the laser diode assemblies are capable of propagating laser beams having a total power of at least about 2 W and a beam parameter property of less than 20 mm mrad; where the beam parameter property is less than 15 mm mrad; where the beam parameter property is less than 10 mm mrad; moreover, the means for spatial combining creates a combined laser beam, N times greater than the power density of the individual laser beams; where N is the number of laser diodes in the assembly of laser diodes; moreover, the means for spatial combining increases the power of the laser beam, while maintaining the brightness of the combined laser beam; whereby the combined laser beam has a power that is at least 50 times the power of the individual laser beam, and whereby the beam parameter product of the combined laser beam does not exceed N times the beam parameter product of the individual laser beam; due to which, the product of the beam parameter of the combined laser beam does not exceed 1.5 * N times the product of the beam parameter of the individual laser beam; due to which, the product of the beam parameter of the combined laser beam does not exceed 1*N times the product of the beam parameter of the individual laser beam; moreover, the means for spatial combining increases the power density of the composite laser beam, while maintaining the brightness of the individual laser beams; whereby the combined laser beam has a power density that is at least 100 times greater than the power of the individual laser beam, and whereby the beam parameter product of the combined laser beam does not exceed 2*N times the beam parameter product of the individual laser beam; due to which, the product of the beam parameter of the combined laser beam does not exceed 1.5 * N times the product of the beam parameter of the individual laser beam; due to which, the product of the beam parameter of the combined laser beam does not exceed 1*N times the product of the beam parameter of the individual laser beam; moreover, the optical fiber is resistant to solarization; moreover, the means for spatial combining has optical nodes selected from the group consisting of plates and wedges parallel to the plane of alignment, to correct at least one of the position errors and pointing errors of the laser diode; wherein the spatial combining means has a polarization beam combiner capable of increasing the effective brightness of the combined laser beams over the individual laser beams; moreover, the laser diode assemblies define separate paths of laser beams with a space between each of the paths, due to which the individual laser beams have a space between each beam; and wherein the means for spatial combining has a collimator for collimating individual laser beams on the axis of the highest light velocity of the laser diodes, a periodic mirror for combining the collimated laser beams, and the periodic mirror is configured to reflect the first laser beam from the first diode in the laser diode assembly and transmits a second laser beam from the second diode in the laser diode assembly, whereby the space between the individual laser beams in the direction of the highest light velocity is filled; moreover, the means for spatial association has a patterned mirror on a glass substrate; moreover, the glass substrate has a sufficient thickness to shift the vertical position of the laser beam from the laser diode to fill the empty space between the laser diodes; and having a stepped heat sink.

[0029] Кроме того, предусмотрена лазерная система для обеспечения лазерного пучка высокой яркости, высокой мощности, причем система имеет: множество сборок лазерных диодов; причем каждая сборка лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных создавать синий лазерный пучок, имеющий начальную яркость; средство для пространственного объединения синих лазерных пучков для создания объединенного лазерного пучка, имеющего окончательную яркость и формирующего единое пятно в дальнем поле, которое способно включаться в оптическое волокно; причем каждый лазерный диод фиксируется внешним резонатором на отдельной длине волны для существенного увеличения яркости объединенного лазерного пучка, благодаря чему окончательная яркость объединенного лазерного пучка оказывается близкой к начальной яркости лазерного пучка от единственного лазерного диода.[0029] In addition, a laser system is provided for providing a high brightness, high power laser beam, the system having: a plurality of laser diode assemblies; wherein each laser diode assembly has a plurality of laser diodes capable of producing a blue laser beam having an initial brightness; means for spatially combining the blue laser beams to create a combined laser beam having final brightness and forming a single spot in the far field, which is capable of being included in the optical fiber; each laser diode is fixed by an external resonator at a separate wavelength to significantly increase the brightness of the combined laser beam, so that the final brightness of the combined laser beam is close to the initial brightness of the laser beam from a single laser diode.

[0030] Дополнительно предусмотрены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: каждый лазерный диод фиксируется на единой длине волны с использованием внешнего резонатора на основе дифракционной решетки, и все сборки лазерных диодов объединяются в объединенный пучок с использованием средства объединения, выбранного из группы, состоящей из узко разнесенного оптического фильтра и дифракционной решетки; рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, имеющее сердцевину из чистого плавленого диоксида кремния для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, окруженную либо воздухом, либо полимером с низким показателем преломления для канализации синего света накачки; рамановский преобразователь используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, имеющего центральную сердцевину, легированную GeO2, с внешней сердцевиной для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки; рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, имеющую сердцевину, легированную P2O5, для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки; рамановский преобразователь представляет собой оптическое волокно, имеющее сердцевину с плавным профилем показателя преломления для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки; рамановский преобразователь, имеющий сердцевину, легированную GeO2, с плавным профилем показателя преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления; рамановский преобразователь используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину с плавным профилем показателя преломления, легированную P2O5, и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления; рамановский преобразователь используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину, легированную GeO2, с плавным профилем показателя преломления; рамановский преобразователь имеет сердцевину с плавным профилем показателя преломления, легированную P2O5, и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления; рамановский преобразователь представляет собой алмаз для создания лазерного источника более высокой яркости; рамановский преобразователь выполнен из KGW для создания лазерного источника более высокой яркости; рамановский преобразователь выполнен из YVO4 для создания лазерного источника более высокой яркости; рамановский преобразователь выполнен из Ba(NO3)2 для создания лазерного источника более высокой яркости; и рамановский преобразователь представляет собой газ высокого давления для создания лазерного источника более высокой яркости.[0030] Methods and systems are further provided having one or more of the following features: each laser diode is fixed at a single wavelength using an external grating-based resonator, and all laser diode assemblies are combined into a combined beam using a combining means selected from a group consisting of a narrowly spaced optical filter and a diffraction grating; the Raman converter is an optical fiber having a pure fused silica core to provide a higher brightness source and an outer core surrounded by either air or a low refractive index polymer to channel the blue pump light; a Raman converter is used for pumping a Raman converter, for example, an optical fiber having a GeO 2 doped center core with an outer core to create a source of higher brightness, and an outer core that is larger than the center core to channel blue pump light; the Raman converter is an optical fiber having a core doped with P 2 O 5 to create a source of higher brightness, and an outer core that is larger than the central core to channel blue pump light; the Raman converter is an optical fiber having a core with a smooth refractive index profile to create a source of higher brightness, and an outer core that is larger than the central core to channel blue pump light; a Raman transducer having a GeO 2 doped core with a smooth refractive index profile and an outer core with a stepped refractive index profile; a Raman transducer is used to pump a Raman transducer fiber having a P 2 O 5 doped soft index core and an outer stepped refractive index profile; a Raman converter is used to pump a Raman converter fiber having a GeO 2 doped core with a smooth refractive index profile; the Raman transducer has a core with a smooth refractive index profile doped with P 2 O 5 and an outer core with a stepped refractive index profile; the Raman transducer is a diamond to create a higher brightness laser source; the Raman transducer is made of KGW to create a higher brightness laser source; the Raman transducer is made of YVO 4 to create a higher brightness laser source; the Raman converter is made of Ba(NO 3 ) 2 to create a laser source of higher brightness; and the Raman transducer is a high pressure gas to create a higher brightness laser source.

[0031] Кроме того, предусмотрена лазерная система для осуществления лазерных операций, причем система имеет: множество сборок лазерных диодов; причем каждая сборка лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных создавать синий лазерный пучок вдоль пути лазерного пучка; средство для пространственного объединения синих лазерных пучков для создания объединенного лазерного пучка, имеющего единое пятно в дальнем поле, которое способно оптически подключаться к рамановскому преобразователю, для накачки рамановского преобразователя, для увеличения яркости объединенного лазерного пучка.[0031] In addition, a laser system for performing laser operations is provided, the system having: a plurality of laser diode assemblies; wherein each laser diode assembly has a plurality of laser diodes capable of producing a blue laser beam along the path of the laser beam; means for spatially combining the blue laser beams to create a combined laser beam having a single spot in the far field, which is capable of optically connecting to the Raman converter, for pumping the Raman converter, to increase the brightness of the combined laser beam.

[0032] Дополнительно предусмотрен способ обеспечения объединенного лазерного пучка, причем способ имеет массив раманово-преобразованных лазеров для генерации синих лазерных пучков на отличающихся друг от друга длины волны и объединения лазерных пучков для создания источника более высокой мощности, при сохранении пространственной яркости исходного источника.[0032] Additionally, a method is provided for providing a combined laser beam, the method having an array of Raman-transformed lasers for generating blue laser beams at different wavelengths and combining the laser beams to create a source of higher power, while maintaining the spatial brightness of the original source.

[0033] Кроме того, предусмотрена лазерная система для осуществления лазерных операций, причем система имеет: множество сборок лазерных диодов; причем каждая сборка лазерных диодов имеет множество лазерных диодов, способных создавать синий лазерный пучок вдоль пути лазерного пучка; оптику коллимации и объединения пучков вдоль пути лазерного пучка, которая способна обеспечивать объединенный лазерный пучок; и оптическое волокно для приема объединенного лазерного пучка.[0033] In addition, a laser system for performing laser operations is provided, the system having: a plurality of laser diode assemblies; wherein each laser diode assembly has a plurality of laser diodes capable of producing a blue laser beam along the path of the laser beam; optics for collimating and combining beams along the path of the laser beam, which is capable of providing a combined laser beam; and an optical fiber for receiving the combined laser beam.

[0034] Кроме того, предусмотрены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: оптическое волокно находится в оптической связи с волокном, легированным редкоземельным элементом, благодаря чему, объединенный лазерный пучок способен накачивать волокно, легированное редкоземельным элементом, для создания лазерного источника более высокой яркости; и оптическое волокно находится в оптической связи с внешней сердцевиной преобразователя яркости, благодаря чему, объединенный лазерный пучок способен накачивать внешнюю сердцевину преобразователя яркости для создания более высокого коэффициента улучшения яркости.[0034] In addition, methods and systems are provided having one or more of the following features: an optical fiber is in optical communication with a rare earth doped fiber, whereby the combined laser beam is capable of pumping the rare earth doped fiber to create a laser source higher brightness; and the optical fiber is in optical communication with the outer luminance converter core, whereby the combined laser beam is able to pump the outer luminance core to create a higher brightness enhancement ratio.

[0035] Кроме того, предусмотрено рамановское волокно, имеющее: две сердцевины, где одна из двух сердцевин является центральной сердцевиной высокой яркости; и средство для подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине высокой яркости, выбранной из группы, состоящей из фильтра, волоконной брэгговской дифракционной решетки, различия в числе V для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка, различия в усилении при двукратном проходе для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка в силу длины волокна или зеркал резонатора и различия в потерях на микроизгибах.[0035] Further, a Raman fiber is provided having: two cores, where one of the two cores is a high brightness central core; and means for suppressing a second-order Raman signal in a central high-brightness core selected from the group consisting of a filter, a fiber Bragg grating, a difference in the V number for the first-order and second-order Raman signals, a two-pass gain difference for the first-order Raman signals, order and second order due to the length of the fiber or resonator mirrors and differences in microbending losses.

[0036] Кроме того, предусмотрена система генерации второй гармоники, причем система имеет: рамановский преобразователь на первой длине волны для генерации света в нелинейном кристалле на половине длины волны первой длины волны; и внешне-резонансный кристалл удвоения частоты, выполненный с возможностью препятствовать распространению света половинной длины волны через оптическое волокно.[0036] In addition, a second harmonic generation system is provided, the system having: a Raman converter at a first wavelength for generating light in a nonlinear crystal at half a wavelength of the first wavelength; and an externally resonant frequency doubling crystal configured to prevent half wavelength light from propagating through the optical fiber.

[0037] Кроме того, предусмотрены способы и системы, имеющие один или более из следующих признаков: первая длина волны составляет около 460 нм; и внешне-резонансный кристалл удвоения частоты является KTP; и рамановский преобразователь имеет некруглую внешнюю сердцевину, структурированную для повышения эффективности рамановского преобразования.[0037] In addition, there are methods and systems having one or more of the following features: the first wavelength is about 460 nm; and the externally resonant frequency doubling crystal is KTP; and the Raman transformer has a non-circular outer core structured to improve the efficiency of the Raman transform.

[0038] Дополнительно предусмотрена система генерации третьей гармоники, причем система имеет: рамановский преобразователь на первой длине волны для генерации света на второй длине волны, более низкой, чем первая длина волны; и внешне-резонансный кристалл удвоения частоты, выполненный с возможностью препятствовать распространению света более низкой длины волны через оптическое волокно.[0038] Additionally, a third harmonic generation system is provided, the system having: a Raman converter at a first wavelength to generate light at a second wavelength lower than the first wavelength; and an externally resonant frequency doubling crystal configured to prevent lower wavelength light from propagating through the optical fiber.

[0039] Дополнительно предусмотрена система генерации четвертой гармоники, причем система имеет: рамановский преобразователь для генерации света на 57,5 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, выполненного с возможностью препятствовать распространению света с длиной волны 57,5 нм через оптическое волокно.[0039] A fourth harmonic generation system is further provided, the system having: a Raman converter for generating light at 57.5 nm using an externally resonant frequency doubling crystal configured to prevent the propagation of light with a wavelength of 57.5 nm through the optical fiber.

[0040] Дополнительно предусмотрена система генерации второй гармоники, причем система имеет преобразователь яркости, легированный редкоземельным элементом, например тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм, для генерации света на половине длины волны исходного лазера или 236,5 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[0040] A second harmonic generation system is further provided, the system having a rare earth doped luminance converter, such as thulium, that generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes, to generate light at half the wavelength of the original laser, or 236.5 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber.

[0041] Дополнительно предусмотрена система генерации третьей гармоники, причем система имеет преобразователь яркости, легированный редкоземельным элементом, например, тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм для генерации света на 118,25 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[0041] A third harmonic generation system is further provided, the system having a luminance converter doped with a rare earth element, such as thulium, which generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes to generate light at 118.25 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow small wavelength light to propagate through the optical fiber.

[0042] Дополнительно предусмотрена система генерации четвертой гармоники, причем система имеет преобразователь яркости, легированный редкоземельным элементом, например, тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм для генерации света на 59,1 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[0042] A fourth harmonic generation system is further provided, the system having a rare earth doped luminance converter, such as thulium, which generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes to generate light at 59.1 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow small wavelength light to propagate through the optical fiber.

[0043] Кроме того, предусмотрена лазерная система для осуществления лазерных операций, причем система имеет: по меньшей мере, три сборки лазерных диодов; каждая из по меньшей мере трех сборок лазерных диодов имеет по меньшей мере десять лазерных диодов, причем каждый из по меньшей мере десяти лазерных диодов способен создавать синий лазерный пучок, имеющий мощность по меньшей мере около 2 Вт и продукт параметра пучка менее 8 мм-мрад, вдоль пути лазерного пучка, где все пути лазерного пучка по существу параллельны, благодаря чему между лазерными пучками, распространяющимися вдоль путей лазерных пучков, задается пространство; средство для пространственного объединения и сохранения яркости синих лазерных пучков, расположенных на всех из по меньшей мере тридцати путей лазерных пучков, причем средство для пространственного объединения и сохранения яркости имеет коллимирующую оптику для первой оси лазерного пучка, массив вертикальных призм для второй оси лазерного пучка и телескоп; благодаря чему средство для пространственного объединения и сохранения заполняет пространство между лазерными пучками лазерной энергией, таким образом обеспечивая объединенный лазерный пучок на мощности по меньшей мере около 600 Вт, и продукт параметра пучка менее 44 мм-мрад.[0043] In addition, a laser system for performing laser operations is provided, the system having: at least three laser diode assemblies; each of the at least three laser diode assemblies has at least ten laser diodes, wherein each of the at least ten laser diodes is capable of producing a blue laser beam having a power of at least about 2 watts and a beam parameter product of less than 8 mm-mrad, along the path of the laser beam, where all the paths of the laser beam are essentially parallel, whereby between the laser beams propagating along the paths of the laser beams, the space is set; means for spatially combining and maintaining the brightness of blue laser beams located on all of at least thirty laser beam paths, wherein the means for spatially combining and maintaining brightness has collimating optics for the first axis of the laser beam, an array of vertical prisms for the second axis of the laser beam, and a telescope ; whereby the spatial combining and storing means fills the space between the laser beams with laser energy, thereby providing a combined laser beam at a power of at least about 600 W, and a beam parameter product of less than 44 mm-mrad.

[0044] Кроме того, предусмотрена система лазерной обработки адресуемого массива, причем система лазерной обработки адресуемого массива имеет: по меньшей мере, три лазерные системы описанного здесь типа; каждая из по меньшей мере, трех лазерных систем выполнена с возможностью введения каждого из их объединенных лазерных пучков в единое оптическое волокно; благодаря чему каждый из по меньшей мере трех объединенных лазерных пучков способен передаваться вдоль подключенного к нему оптического волокна; по меньшей мере, три оптические волокна оптически связаны с лазерной головкой; и систему управления; где система управления имеет программу, имеющую заранее определенную последовательность для доставки каждого из объединенных лазерных пучков в заранее определенной позиции на целевом материале.[0044] In addition, an addressable array laser processing system is provided, wherein the addressable array laser processing system has: at least three laser systems of the type described herein; each of the at least three laser systems is configured to insert each of their combined laser beams into a single optical fiber; whereby each of the at least three combined laser beams is able to be transmitted along the optical fiber connected to it; at least three optical fibers are optically coupled to the laser head; and control system; where the control system has a program having a predetermined sequence for delivering each of the combined laser beams at a predetermined position on the target material.

[0045] Кроме того, предусмотрены способы и системы для адресуемого массива, имеющего один или более из следующих признаков: заранее определенная последовательность для индивидуального включения и отключения лазерных пучков от лазерной головки, таким образом, формирования изображения на подушку порошка для плавления и сплавления целевого материала, имеющего порошок, в деталь; волокна в лазерной головке сконфигурированы в компоновке, выбранной из группы, состоящей из линейной, нелинейной, круглой, ромбической, квадратной, треугольной и шестиугольной; волокна в лазерной головке сконфигурированы в компоновке, выбранной из группы, состоящей из 2×5, 5×2, 4×5, по меньшей мере 5 × по меньшей мере 5, 10×5, 5×10 и 3×4; целевой материал имеет порошковую подушку; и имеющие: систему движения x-y, способную перемещать лазерную головку по порошковой подушке, таким образом, плавя и сплавляя порошковую подушку; и систему доставки порошка, которая может перемещаться позади лазерного источника для обеспечения свежего порошкового слоя позади сплавленного слоя; имеющую: систему движения по оси z, способная перемещать лазерную головку для увеличения и уменьшения высоты лазерной головки над поверхностью порошковой подушки; имеющую: устройство двунаправленного размещения порошка, способное размещать порошок непосредственно позади доставляемого лазерного пучка когда он распространяется в положительном направлении оси x или отрицательном направлении оси x; имеющую систему подачи порошка, которая коаксиальна множеству путей лазерных пучков; имеющую самотечную систему подачи порошка; имеющую систему подачи порошка, в которой порошок увлекается потоком инертного газа; имеющую систему подачи порошка, которая поперечна N лазерным пучкам, где N > 1, и порошок располагается под действием силы тяжести перед лазерными пучками; и имеющую систему подачи порошка, которая поперечна N лазерным пучкам, где N > 1, и порошок увлекается потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.[0045] In addition, methods and systems are provided for an addressable array having one or more of the following features: a predetermined sequence for individually turning on and off the laser beams from the laser head, thereby forming an image on the powder pad to melt and fuse the target material having powder, into detail; the fibers in the laser head are configured in an arrangement selected from the group consisting of linear, non-linear, circular, rhombic, square, triangular, and hexagonal; the fibers in the laser head are configured in an arrangement selected from the group consisting of 2×5, 5×2, 4×5, at least 5×at least 5, 10×5, 5×10 and 3×4; the target material has a powder pad; and having: an x-y movement system capable of moving the laser head over the powder pad, thereby melting and fusing the powder pad; and a powder delivery system that can move behind the laser source to provide a fresh powder layer behind the fused layer; having: a z-axis movement system capable of moving the laser head to increase and decrease the height of the laser head above the surface of the powder pad; having: a bi-directional powder placement device capable of placing the powder directly behind the delivered laser beam when it propagates in the positive x-axis direction or the negative x-axis direction; having a powder supply system that is coaxial to a plurality of laser beam paths; having a gravity-flowing powder supply system; having a powder supply system in which the powder is entrained in an inert gas flow; having a powder supply system that is transverse to the N laser beams, where N > 1, and the powder is positioned by gravity in front of the laser beams; and having a powder supply system that is transverse to the N laser beams, where N > 1, and the powder is entrained by an inert gas flow that crosses the laser beams.

[0046] Кроме того предусмотрен способ обеспечения объединенного синего лазерного пучка, имеющего высокую яркость, причем способ имеет: применение множества раманово-преобразованных лазеров для обеспечения множества отдельных синих лазерных пучков и объединения отдельных синих лазерных пучков для создания источника более высокой мощности, при сохранении пространственной яркости исходного источника; причем отдельные лазерные пучки множества имеют разные длины волны.[0046] In addition, a method is provided for providing a combined blue laser beam having a high brightness, the method having: using a plurality of Raman-transformed lasers to provide a plurality of individual blue laser beams, and combining the individual blue laser beams to create a higher power source while maintaining spatial brightness of the original source; wherein the individual laser beams of the set have different wavelengths.

[0047] Кроме того, предусмотрен способ лазерной обработки целевого материала, причем способ имеет систему лазерной обработки адресуемого массива, имеющую по меньшей мере, три лазерные системы наподобие описанных здесь систем для генерации трех отдельных объединенных лазерных пучков в три отдельные оптические волокна; пропускание каждого из объединенных лазерных пучков вдоль соответствующего оптического волокна к лазерной головке; и направление трех отдельных объединенных лазерных пучков от лазерной головки в заранее определенной последовательности в заранее определенной позиции на целевом материале.[0047] In addition, a method for laser processing a target material is provided, the method having an addressable array laser processing system having at least three laser systems, like systems described herein, for generating three separate combined laser beams into three separate optical fibers; passing each of the combined laser beams along the respective optical fiber to the laser head; and directing three separate combined laser beams from the laser head in a predetermined sequence at a predetermined position on the target material.

В одном из вариантов источник света содержит массив волокон, подающих свет от массива волоконных рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.In one embodiment, the light source comprises an array of fibers that deliver light from an array of fiber Raman lasers operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm.

В одном из вариантов источник света содержит массив оптических волокон, имеющих диаметры, выбранные из группы, состоящей из 10 мкм - 50 мкм, 50 мкм - 100 мкм и 100 мкм - 500 мкм.In one embodiment, the light source contains an array of optical fibers having diameters selected from the group consisting of 10 µm - 50 µm, 50 µm - 100 µm and 100 µm - 500 µm.

В одном из вариантов источник света содержит единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая может быть 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.In one embodiment, the light source contains a single bundle of separate optical fibers connected to separate light sources, which is re-imaged by optics, which can be 1:0.5, 1:1, 1:2 up to and including 1:10.

В одном из вариантов источник света является независимо установленными отдельными волокнами.In one embodiment, the light source is independently mounted individual fibers.

В одном из вариантов система содержит камеру теплового формирования изображения высокого разрешения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.In one embodiment, the system includes a high resolution thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot.

В одном из вариантов система содержит массив пирометров для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.In one embodiment, the system includes an array of pyrometers to directly monitor the temperature in each spot during operation and provide feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot.

В одном из вариантов источник света является лазерным источником синего света для сплавления медных порошков.In one embodiment, the light source is a blue laser light source for fusing copper powders.

В одном из вариантов источник света является лазерным источником синего света для сплавления золотых порошков.In one embodiment, the light source is a blue laser light source for fusing gold powders.

В одном из вариантов источник света является лазерным источником синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.In one embodiment, the light source is a blue laser light source for optimal fusion of aluminum powders.

В одном из вариантов источник света является лазерным источником синего света для сплавления всех металлов и сплавов металлов.In one embodiment, the light source is a laser blue light source for fusing all metals and metal alloys.

В одном из вариантов печатающая головка содержит оптическую систему, содержащую коллиматор, который может представлять собой плоско-выпуклую линзу, плоско-выпуклую асферическую линзу, пару дублетных или триплетных линз, и фокусирующую оптику, состоящую из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, здесь источник отстоит на 1f от коллимирующей линзы и на 1f от фокусирующей линзы.In one embodiment, the print head contains an optical system containing a collimator, which can be a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a pair of doublet or triplet lenses, and a focusing optics consisting of a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens , here the source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens.

В одном из вариантов оптическая система печатающей головки является оптикой повторного формирования изображения с источником, находящимся на по меньшей мере 2f от линзы, и изображение находится в по меньшей мере 2f от линзы в противоположном направлении.In one embodiment, the printhead optics are reimaging optics with the source at least 2f from the lens and the image at least 2f from the lens in the opposite direction.

В одном из вариантов система дополнительно содержит поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.In one embodiment, the system further comprises a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution.

В одном из вариантов массив источников света является массивом рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.In one embodiment, the array of light sources is an array of Raman lasers operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm.

В одном из вариантов массив источников света является массивом оптических волокон диаметрами в пределах 10 мкм - 50 мкм, 50 мкм - 100 мкм или 100 мкм - 500 мкм.In one embodiment, the light source array is an array of optical fibers with diameters ranging from 10 µm to 50 µm, 50 µm to 100 µm, or 100 µm to 500 µm.

В одном из вариантов массив источников света представляет собой единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая может быть 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.In one embodiment, the array of light sources is a single bundle of separate optical fibers connected to separate light sources, which is re-imaged by optics, which can be 1:0.5, 1:1, 1:2 up to and including 1:10.

В одном из вариантов массив источников света является независимо установленными отдельными волокнами. In one embodiment, the light source array is independently mounted individual fibers.

В одном из вариантов вторичный источник света является рамановским лазером, действующим в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.In one embodiment, the secondary light source is a Raman laser operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm.

В одном из вариантов вторичный источник света является системой лазерных диодов, действующей в диапазоне длины волны 400 нм - 500 нм.In one embodiment, the secondary light source is a laser diode system operating in the wavelength range of 400 nm - 500 nm.

В одном из вариантов температура порошка, облучаемого вторичным источником света, измеряется камерой теплового формирования изображения, и сигнал от камеры используется для регулировки средней температуры освещенной зоны.In one embodiment, the temperature of the powder irradiated by the secondary light source is measured by a thermal imaging camera, and the signal from the camera is used to adjust the average temperature of the illuminated area.

В одном из вариантов температура порошка, облучаемого вторичным источником света, измеряется пирометром, и сигнал от пирометра используется для регулировки средней температуры освещенной зоны.In one embodiment, the temperature of the powder irradiated by the secondary light source is measured by a pyrometer, and the signal from the pyrometer is used to adjust the average temperature of the illuminated area.

В одном из вариантов камера является камерой теплового формирования изображения высокого разрешения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.In one embodiment, the camera is a high resolution thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the detail from spot to spot.

В одном из вариантов система дополнительно содержит самотечную систему доставки порошка, которая действует в обоих направлениях.In one embodiment, the system further comprises a gravity-fed powder delivery system that operates in both directions.

В одном из вариантов система дополнительно содержит поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.In one embodiment, the system further comprises a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution.

В одном из вариантов система дополнительно содержит вращающееся колесо, движущееся противоположно направлению перемещения бункера, для сжатия и уплотнения порошка для снижения пористости порошковой подушки.In one embodiment, the system further comprises a rotating wheel moving opposite to the direction of movement of the hopper to compress and compact the powder to reduce the porosity of the powder bed.

В одном из вариантов сигнал управления может быть сигналом, пропорциональным температуре порошковой подушки.In one embodiment, the control signal may be a signal proportional to the temperature of the powder bed.

В одном из вариантов сигнал управления может быть сигналом, пропорциональным температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.In one embodiment, the control signal may be a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad.

В одном из вариантов используется лазерный источник синего света для сплавления медных порошков.One embodiment uses a laser blue light source to fuse copper powders.

В одном из вариантов используется лазерный источник синего света для сплавления золотых порошков.One embodiment uses a laser blue light source to fuse gold powders.

В одном из вариантов используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.One embodiment uses a laser blue light source to optimally fuse aluminum powders.

В одном из вариантов используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления всех остальных металлов и сплавов металлов.One embodiment uses a laser blue light source to optimally fuse all other metals and metal alloys.

В одном из вариантов система дополнительно содержит печатающую головку, причем печатающая головка содержит оптическую систему, содержащую коллиматор, который может представлять собой плоско-выпуклую линзу, плоско-выпуклую асферическую линзу, пару дублетных или триплетных линз, и фокусирующую оптику, состоящую из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, здесь источник отстоит на 1f от коллимирующей линзы и на 1f от фокусирующей линзы.In one embodiment, the system further comprises a print head, the print head comprising an optical system comprising a collimator, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a pair of doublet or triplet lenses, and a focusing optics consisting of a plano-convex lens, plano-convex aspherical lens, here the source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens.

В одном из вариантов оптическая система в печатающей головке является оптикой повторного формирования изображения, где источник находится в по меньшей мере 2f от линзы, и изображение находится в по меньшей мере 2f от линзы в противоположном направлении.In one embodiment, the optical system in the print head is a reimaging optic where the source is at least 2f from the lens and the image is at least 2f from the lens in the opposite direction.

В одном из вариантов массив источников света является массивом волокон, подающих свет от массива волоконных рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.In one embodiment, the light source array is an array of fibers supplying light from an array of fiber Raman lasers operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm.

В одном из вариантов массив источников света является массивом оптических волокон диаметрами в пределах 10 мкм - 50 мкм, 50 мкм - 100 мкм или 100 мкм - 500 мкм,In one embodiment, the light source array is an array of optical fibers with diameters ranging from 10 µm to 50 µm, 50 µm to 100 µm, or 100 µm to 500 µm,

В одном из вариантов массив источников света представляет собой единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая может быть 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.In one embodiment, the array of light sources is a single bundle of separate optical fibers connected to separate light sources, which is re-imaged by optics, which can be 1:0.5, 1:1, 1:2 up to and including 1:10.

В одном из вариантов массив источников света является независимо установленными отдельными волокнами.In one embodiment, the light source array is independently mounted individual fibers.

В одном из вариантов массив вторичных источников света является волоконным рамановским лазером, действующим в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.In one embodiment, the array of secondary light sources is a fiber Raman laser operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm.

В одном из вариантов температура порошка, облучаемого массивом вторичных источников света, измеряется камерой теплового формирования изображения, и сигнал от камеры используется для регулировки средней температуры освещенной зоны.In one embodiment, the temperature of the powder irradiated by the array of secondary light sources is measured by a thermal imaging camera, and the signal from the camera is used to adjust the average temperature of the illuminated area.

В одном из вариантов температура порошка, облучаемого массивом вторичных источников света измеряется пирометром, и сигнал от пирометра используется для регулировки средней температуры освещенной зоны.In one embodiment, the temperature of the powder irradiated by an array of secondary light sources is measured by a pyrometer, and the signal from the pyrometer is used to adjust the average temperature of the illuminated area.

В одном из вариантов камера, является камерой теплового формирования изображения высокого разрешения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.In one embodiment, the camera is a high resolution thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the detail from spot to spot.

В одном из вариантов система дополнительно содержит самотечную систему доставки порошка, которая действует в обоих направлениях.In one embodiment, the system further comprises a gravity-fed powder delivery system that operates in both directions.

В одном из вариантов система дополнительно содержит поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.In one embodiment, the system further comprises a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution.

В одном из вариантов система дополнительно содержит вращающееся колесо, движущееся противоположно направлению перемещения бункера, для сжатия и уплотнения порошка для снижения пористости порошковой подушки.In one embodiment, the system further comprises a rotating wheel moving opposite to the direction of movement of the hopper to compress and compact the powder to reduce the porosity of the powder bed.

В одном из вариантов сигнал управления может быть сигналом, пропорциональным температуре порошковой подушки.In one embodiment, the control signal may be a signal proportional to the temperature of the powder bed.

В одном из вариантов сигнал управления может быть сигналом, пропорциональным температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.In one embodiment, the control signal may be a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad.

В одном из вариантов система дополнительно содержит печатающую головку, причем печатающая головка содержит оптическую систему, содержащую коллиматор, который может представлять собой плоско-выпуклую линзу, плоско-выпуклую асферическую линзу, пару дублетных или триплетных линз, и фокусирующую оптику, состоящую из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, здесь источник отстоит на 1f от коллимирующей линзы и на 1f от фокусирующей линзы.In one embodiment, the system further comprises a print head, the print head comprising an optical system comprising a collimator, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a pair of doublet or triplet lenses, and a focusing optics consisting of a plano-convex lens, plano-convex aspherical lens, here the source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens.

В одном из вариантов оптическая система в печатающей головке является оптикой повторного формирования изображения, где источник находится в по меньшей мере 2f от линзы, и изображение находится в по меньшей мере 2f от линзы в противоположном направлении.In one embodiment, the optical system in the print head is a reimaging optic where the source is at least 2f from the lens and the image is at least 2f from the lens in the opposite direction.

В одном из вариантов в системе используется лазерный источник синего света для сплавления медных порошков.In one embodiment, the system uses a laser blue light source to fuse copper powders.

В одном из вариантов в системе используется лазерный источник синего света для сплавления золотых порошков.In one embodiment, the system uses a laser blue light source to fuse gold powders.

В одном из вариантов в системе используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.In one embodiment, the system uses a blue laser light source to optimally fuse aluminum powders.

В одном из вариантов в системе используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления всех остальных металлов и сплавов металлов.In one embodiment, the system uses a laser blue light source to optimally fuse all other metals and metal alloys.

В одном из вариантов печатающая головка устанавливается с аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для параллельной печати изображений.In one embodiment, the printhead is mounted with similar printheads on one or more portals to print images in parallel.

В одном из вариантов печатающая головка устанавливается с аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для печати изображения, которое является участком детали.In one embodiment, the printhead is mounted with similar printheads on one or more portals to print an image that is a portion of the part.

В одном из вариантов печатающая головка устанавливается с аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах, и оптическая система печатающей головки используется для объединения изображений из множественных источников для создания более крупного непрерывного изображения.In one embodiment, the printhead is mounted with similar printheads on one or more portals and the printhead optical system is used to combine images from multiple sources to create a larger continuous image.

В одном из вариантов печатающая головка устанавливается с аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для печати изображения в шахматном порядке, которые объединяются друг с другом путем последовательного шагового переноса промежуточных рисунков.In one embodiment, the print head is installed with similar print heads on one or more portals for printing an image in a checkerboard pattern, which are combined with each other by successive step transfer of intermediate patterns.

В одном из вариантов сигнал управления содержит сигнал, пропорциональный температуре порошковой подушки.In one embodiment, the control signal contains a signal proportional to the temperature of the powder bed.

В одном из вариантов сигнал управления содержит сигнал, пропорциональный температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.In one embodiment, the control signal comprises a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0048] Фиг. 1 - вид в перспективе варианта осуществления 3-D принтера на основе массива волокон в соответствии с настоящим изобретением.[0048] FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a fiber array 3-D printer in accordance with the present invention.

[0049] Фиг. 2A - вид в перспективе варианта осуществления печатающей головки на волоконной основе в соответствии с настоящим изобретением.[0049] FIG. 2A is a perspective view of an embodiment of a fiber-based printhead in accordance with the present invention.

[0050] Фиг. 2B - вид в перспективе печатающей головки на волоконной основе, показанной на фиг. 2A, с другой перспективы.[0050] FIG. 2B is a perspective view of the fiber-based printhead shown in FIG. 2A from a different perspective.

[0051] Фиг. 3 - схематическое графическое описание варианта осуществления оптического жгута и путей пучков, в соответствии с настоящим изобретением.[0051] FIG. 3 is a schematic graphical description of an embodiment of an optical bundle and beam paths, in accordance with the present invention.

[0052] Фиг. 4A - вид в перспективе варианта осуществления выхода соединителя 1-D жгута для жгута волокон для 1-D системы формирования рисунка, в соответствии с настоящим изобретением.[0052] FIG. 4A is a perspective view of an embodiment of a 1-D tow connector outlet for a tow of fibers for a 1-D patterning system in accordance with the present invention.

[0053] Фиг. 4B - вид в перспективе варианта осуществления объединителя волокна в соответствии с настоящим изобретением.[0053] FIG. 4B is a perspective view of an embodiment of a fiber combiner in accordance with the present invention.

[0054] Фиг. 5A - схема варианта осуществления 3-D печатающей головки с вторичным лазерным источником тепла и первичной 1-D системой формирования рисунка в соответствии с настоящим изобретением.[0054] FIG. 5A is a diagram of an embodiment of a 3-D printhead with a secondary laser heat source and a primary 1-D patterning system in accordance with the present invention.

[0055] Фиг. 5B - вид в перспективе варианта осуществления перекрывающегося изображения вторичного лазерного рисунка и многопятенного первичного изображения в соответствии с настоящим изобретением.[0055] FIG. 5B is a perspective view of an embodiment of an overlapping image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image in accordance with the present invention.

[0056] Фиг. 6A - схема варианта осуществления 3-D печатающей головки с вторичным лазерным источником тепла и первичной 1-D системой формирования рисунка в соответствии с настоящим изобретением.[0056] FIG. 6A is a diagram of an embodiment of a 3-D print head with a secondary laser heat source and a primary 1-D patterning system in accordance with the present invention.

[0057] Фиг. 6B - вид в перспективе варианта осуществления перекрывающегося изображения вторичного лазерного рисунка и многопятенного первичного изображения в соответствии с настоящим изобретением.[0057] FIG. 6B is a perspective view of an embodiment of an overlapping image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image in accordance with the present invention.

[0058] Фиг. 7A - схема варианта осуществления печатающей головки, имеющей 1-D первичное многопятенное изображение и вторичное изображение нагрева на основе массива лазерных диодов для первичного изображения в соответствии с настоящим изобретением.[0058] FIG. 7A is a diagram of an embodiment of a printhead having a 1-D primary multispot image and a primary image laser diode array heating secondary image in accordance with the present invention.

[0059] Фиг. 7B - вид в перспективе варианта осуществления перекрывающегося изображения вторичного лазерного рисунка и многопятенного первичного изображения в соответствии с настоящим изобретением.[0059] FIG. 7B is a perspective view of an embodiment of an overlapping image of a secondary laser pattern and a multi-spot primary image in accordance with the present invention.

[0060] Фиг. 8A - 8F - виды в плане различных вариантов осуществления конфигураций изображения жгута волокон (например, лазерных пучков, формирующих рисунок лазерного пучка или лазерный рисунок) на порошковой подушке в соответствии с настоящим изобретением, где стрелки показывают направление перемещения рисунка на подушке.[0060] FIG. 8A-8F are plan views of various embodiments of fiber tow image configurations (e.g., laser beams forming a laser beam pattern or laser pattern) on a powder pad in accordance with the present invention, with arrows indicating the direction of movement of the pattern on the pad.

[0061] Фиг. 9A - 9F - виды в плане различных вариантов осуществления конфигураций изображения жгута волокон (например, лазерных пучков, формирующих рисунок лазерного пучка или лазерный рисунок) на порошковой подушке, где изображение первичных лазерных пучков связано с изображением вторичного лазерного пучка, в соответствии с настоящим изобретением, где стрелки указывают направление перемещения обоих рисунков на подушке. (Пятна первичного изображения показаны как сплошные пятна, и пятна вторичного изображения показаны как контурные пятна.)[0061] FIG. 9A-9F are plan views of various embodiments of image configurations of a tow of fibers (e.g., laser beams forming a laser beam pattern or laser pattern) on a powder pad, where the image of the primary laser beams is associated with the image of the secondary laser beam, in accordance with the present invention, where the arrows indicate the direction of movement of both patterns on the pillow. (Primary image patches are shown as solid patches, and secondary image patches are shown as outline patches.)

[0062] Фиг. 10A - 10F - виды в плане различных вариантов осуществления конфигураций изображения жгута волокон (например, лазерных пучков, формирующих рисунок лазерного пучка или лазерный рисунок) на порошковой подушке, где изображение первичных лазерных пучков связано с изображением вторичного лазерного пучка, и вторичные лазерные пучки имеют разные временные признаки, создающие вторичные изображения разной формы, в соответствии с настоящим изобретением, где стрелки указывают направление перемещения обоих рисунков на подушке. (Пятна первичного изображения показаны как сплошные пятна, и вторичное изображение пятна показаны как контурные пятна.)[0062] FIG. 10A-10F are plan views of various embodiments of image configurations of a tow of fibers (e.g., laser beams forming a laser beam pattern or a laser pattern) on a powder pad, where the image of the primary laser beams is associated with the image of the secondary laser beam, and the secondary laser beams have different temporary features that create secondary images of different shapes, in accordance with the present invention, where the arrows indicate the direction of movement of both patterns on the pillow. (Blots in the primary image are shown as solid patches, and the secondary image of the patch is shown as outline patches.)

[0063] Фиг. 11 - схематический вид в плане отображения изображения на порошковой подушке на камеру теплового формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением.[0063] FIG. 11 is a schematic plan view of displaying a powder pad image on a thermal imaging camera in accordance with the present invention.

[0064] Фиг. 12 - схема варианта осуществления системы управления и процесса регулирования с обратной связью в соответствии с настоящим изобретением.[0064] FIG. 12 is a diagram of an embodiment of a control system and feedback control process in accordance with the present invention.

[0065] Фиг. 13 - изображение и спектр синего раманово-преобразованного лазерного пучка в соответствии с настоящим изобретением.[0065] FIG. 13 is an image and spectrum of a blue Raman-transformed laser beam in accordance with the present invention.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

[0066] Настоящее изобретение относится к лазерной обработке материалов и, в частности, к лазерному наращиванию материалов, включающей в себя процессы лазерного аддитивного производства с использованием лазерных пучков, имеющих длины волны от около 350 нм до 700 нм.[0066] The present invention relates to laser materials processing and, in particular, to laser material growth, including laser additive manufacturing processes using laser beams having wavelengths from about 350 nm to 700 nm.

система формирования 1-D рисунка1-D drawing system

[0067] На фиг. 1 показан вид в перспективе устройства 3-D (трехмерного) аддитивного производства или печатающего устройства 100. Печатающее устройство 100 имеет конфигурацию волокна, входящую в печатающую головку, которая имеет 1-D (одномерную) конфигурацию волокна. Эта 1-D система может иметь входящие волокна, расположенные линейным образом, например, как показано на фиг. 2A и 2B, и имеющие пути лучей, изображения и оптику как показано, например, на фиг. 3.[0067] FIG. 1 shows a perspective view of a 3-D (three-dimensional) additive manufacturing device or a printer 100. The printer 100 has a fiber configuration included in the print head, which has a 1-D (one-dimensional) fiber configuration. This 1-D system may have incoming fibers arranged in a linear manner, such as shown in FIG. 2A and 2B and having beam paths, images, and optics as shown, for example, in FIG. 3.

[0068] Таким образом, на фиг. 1-3 показан пример 3-D принтера, который использует 1-D систему формирования рисунка, где 1-D означает конфигурацию для жгута волокон, которые обеспечивают и запускают лазерные пучки, используемые для наращивания 3-D объекта.[0068] Thus, in FIG. 1-3 shows an example of a 3-D printer that uses a 1-D patterning system, where 1-D refers to the configuration for a bundle of fibers that provide and fire laser beams used to grow a 3-D object.

[0069] Обращаясь сначала к фиг. 1, но в контексте фиг. 2A, 2B и 3, система 100 состоит из портальной системы x-y 101, которая перемещает печатающую головку 200 в направлении x и y. портальная система установлена на основании 112, которая может быть выполнена из гранита, или металла, или предпочтительно других материалов, которые являются тяжелыми, стабильными и обоими. Основание может быть вибрационно изолировано от остальной системы с использованием под ней резины или воздушных опор для предотвращения передачи вибраций от основания к порошковой подушке 110 и печатающей головке 200. Вся система 100 может быть заключена в воздухонепроницаемую среду (не показана на фигуре) для обеспечения инертной атмосферы для обработки порошка. Инертной атмосферой может быть аргон, азот, гелий или любой другой инертный газ, отличный от кислорода. Инертная атмосфера может находиться при сниженном давлении, атмосферном давлении или повышенном давлении, и может быть проточной (впускной и выпускной порты), втекающей (т.е. возобновляемым газом, втекающим, но не вытекающим) или не текучей (вход и выход закрыты после наполнения инертным газом). Предпочтительным вариантом осуществления является аргон, а также смеси аргон-CO2 для облегчения течения расплавленного порошка за счет снижения их поверхностного натяжения. Координатный стол портала несет печатающую головку 200, и жгут массива волокон доставляется соединителем 102 типа QBH к печатающей головке 200. Чуть ниже печатающей головки располагается порошковая подушка 110, где изображение, передаваемое жгутом или массивом волокон, повторно изображается 103 на порошковой подушке 110. Порошок распределяется двунаправленным распределителем 108 порошка, который ездит на паре линейных рельсах 109 для точного перемещения. Распределитель порошка может перемещаться либо посредством y-движения по направляющей 106 параллельного переноса Y портальной системы 101, либо под действием отдельного двигателя, входящего в состав узла распределителя порошка. Порошок загружается в распределитель порошка на переднем и заднем краю основания 112, и порошок доставляется в порошковую подушку самотеком. Распределитель порошка включает в себя валик 107, который вращается в направлении, противоположном направлению движения для распределения и сжатия порошковой подушки. Сжатие порошковой подушки позволяет минимизировать пористость окончательной детали. Питание и сигналы датчиков подаются через гибкий кабельный лоток 105 сбоку портала, когда портал перемещается в направлении y.[0069] Referring first to FIG. 1, but in the context of FIG. 2A, 2B, and 3, system 100 consists of a portal system xy 101 that moves print head 200 in the x and y direction. the portal system is mounted on a base 112, which may be made of granite or metal, or preferably other materials that are heavy, stable, and both. The base may be vibrationally isolated from the rest of the system using rubber or air mounts underneath to prevent transmission of vibrations from the base to powder pad 110 and printhead 200. The entire system 100 may be enclosed in an airtight environment (not shown) to provide an inert atmosphere for powder processing. The inert atmosphere may be argon, nitrogen, helium, or any other inert gas other than oxygen. An inert atmosphere can be at reduced pressure, atmospheric pressure, or elevated pressure, and can be flowing (inlet and outlet ports), inflowing (i.e., renewable gas flowing in but not flowing out), or non-flowing (inlet and outlet closed after filling). inert gas). A preferred embodiment is argon as well as argon-CO 2 mixtures to facilitate the flow of molten powder by lowering their surface tension. The gantry table carries the print head 200, and the fiber array is delivered by a QBH type connector 102 to the print head 200. Just below the print head is a powder pad 110 where the image conveyed by the bundle or fiber array is re-imaged 103 on the powder pad 110. The powder is dispensed. a bi-directional powder distributor 108 that rides on a pair of linear rails 109 for precise movement. The powder dispenser can be moved either by y-movement along the Y parallel transfer rail 106 of the portal system 101, or by a separate motor included in the powder dispenser assembly. The powder is loaded into the powder distributor at the front and rear edges of the base 112, and the powder is delivered to the powder bed by gravity. The powder distributor includes a roller 107 that rotates in the opposite direction to the direction of travel to distribute and compress the powder bed. Compressing the powder pad minimizes the porosity of the final part. Power and sensor signals are supplied through the flexible cable tray 105 on the side of the gantry as the gantry moves in the y direction.

[0070] Портальная система 101 имеет направляющую 106 параллельного переноса Y для перемещения печатающей головки 200 в направлении y; и имеет направляющую 111 параллельного переноса X для перемещения печатающей головки 200 в направлении x. Система 100 имеет подъемник 104 порошковой подушки (для перемещения детали вниз по мере ее наращивания, чтобы можно было осаждать на деталь следующий слой).[0070] The portal system 101 has a Y parallel transfer guide 106 for moving the print head 200 in the y direction; and has an X parallel transfer guide 111 for moving the print head 200 in the x direction. The system 100 has a powder pad lifter 104 (to move the part down as it builds up so that the next layer can be deposited on the part).

[0071] В предпочтительном варианте осуществления печатающая головка 200 показана на фиг. 2A и 2B. На фиг. 2A и 2B изображены виды в перспективе одного и того же варианта осуществления, но с разных перспектив, очевидно, что обычно печатающая головка будет закрыта или иметь переднюю пластину, которая не показана на фигурах. Жгут волокон имеет 2, 3, 4, 5, 6, 2-10, и их комбинации, а также большие количества, расположенные в линию, предпочтительно прямую линию. Жгут волокон доставляется через QBH-соединитель 201. QBH-соединитель 201 удерживается на месте цангой 202, которая установлена на корпусе 203 печатающей головки 200. Оптическая система состоит из коллимирующей оптики 204 и фокусирующей оптики 205. Эти две оптические системы можно заменить единой оптикой формирования изображения. Лазерные пучки запускаются с торцов волокон 210, и лазерные пучки распространяются вдоль пути лазерного пучка к линзе 204, линзе 205 и затем выходному окну 209 для формирования изображения 103. Помимо оптической системы, печатающая головка 200 также может включать в себя камеру 207 теплового формирования изображения или пирометр для отслеживания температуры ванны расплава, через отверстие или окно 208 для многопятенного изображения 103, на порошковой подушке.[0071] In the preferred embodiment, print head 200 is shown in FIG. 2A and 2B. In FIG. 2A and 2B are perspective views of the same embodiment but from different perspectives, it will be appreciated that typically the print head will be closed or have a front plate which is not shown in the figures. The tow of fibers has 2, 3, 4, 5, 6, 2-10, and combinations thereof, as well as large numbers, arranged in a line, preferably a straight line. The bundle of fibers is delivered through a QBH connector 201. The QBH connector 201 is held in place by a collet 202 which is mounted on the housing 203 of the printhead 200. The optical system consists of collimating optics 204 and focusing optics 205. These two optics can be replaced by a single imaging optic . The laser beams are launched from the ends of the fibers 210 and the laser beams propagate along the path of the laser beam to the lens 204, the lens 205 and then the output window 209 to form the image 103. In addition to the optical system, the printhead 200 may also include a thermal imaging camera 207 or a pyrometer for monitoring the temperature of the melt bath, through a hole or window 208 for a multispot image 103, on a powder pad.

[0072] На фиг. 3 показана схема варианта осуществления 1-D оптической системы 300 и ход лучей ее лазерных пучков. Эта 1-D оптическая система, может, например, использоваться в печатающей головке 200. Жгут 301 волокон имеет пять оптических волокон 301a, 301b, 301c, 301d, 301e, расположенные по прямой линии, и обеспечивает выходные лазерные пучки вдоль пути пучка, имеющего пути 305 лучей, и выход коллимируется линзой 302, которая может быть плоско-выпуклой линзой, плоско-выпуклой асферической линзой, парой линз, триплетом линз или оптикой аналогичного типа. Затем коллимированные пучки из жгута массива, имеющие пути 307 лучей, фокусируется на изображение 304, имеющее ряд пятен 304a, 304b, 304c, 304d, 304e, фокусирующей линзой 303, которая может быть плоско-выпуклой линзой, плоско-выпуклой асферической линзой, парой линз, триплетом линз или оптикой аналогичного типа. Размер волокон показан шкалой 320, и размер изображения и пятен показан шкалой 321. Искривленные поверхности плоско-выпуклой и плоско-асферической линз обращены друг к другу для минимизации сферических аберраций системы. Ход лучей, показанный на фиг. 3, соответствует двум плоско-асферическим линзам из плавленого диоксида кремния. Пятно находится в фокальной плоскости или плоскости преобразования Фурье, и благодаря малым аберрациям в системе, существует небольшое расширение изображения, полученного в перекрытии отдельных волоконных изображений, т.е. пятен 304a, 304b, 304c, 304d, 304e, которые составляют изображение 304. Система также может использовать единую линзу формирования изображения, здесь запускающий торец волоконного источника 301 будет располагаться по меньшей мере в 2f от оптики формирования изображения, и плоскость изображения будет по меньшей мере в 2f от той же оптики. Этот подход потребует существенно более крупную линзу, чем предпочтительный вариант осуществления, предусматривающий использование коллимирующей линзы и фокусирующей линзы для повторного формирования изображения жгута волокон. Камера теплового формирования изображения или пирометр предпочтительно отслеживает температуру ванны расплава, для каждого отдельного пятна в многопятенном изображении, на порошковой подушке.[0072] FIG. 3 shows a diagram of an embodiment of a 1-D optical system 300 and the path of its laser beams. This 1-D optical system may, for example, be used in the printhead 200. The fiber bundle 301 has five optical fibers 301a, 301b, 301c, 301d, 301e arranged in a straight line and provides output laser beams along the beam path having paths 305 beams, and the output is collimated by a lens 302, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a lens pair, a lens triplet, or a similar type of optic. The collimated beams from the array bundle, having beam paths 307, are then focused onto an image 304 having a row of spots 304a, 304b, 304c, 304d, 304e by a focusing lens 303, which may be a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a lens pair , triplet lenses or similar type of optics. The size of the fibers is indicated by scale 320, and the size of the image and spots is shown by scale 321. The curved surfaces of the plano-convex and plano-aspherical lenses face each other to minimize spherical aberrations of the system. The ray path shown in Fig. 3 corresponds to two plano-aspherical fused silica lenses. The spot is in the focal or Fourier transform plane, and due to the small aberrations in the system, there is a slight expansion of the image obtained in the overlap of the individual fiber images, i.e. spots 304a, 304b, 304c, 304d, 304e that make up the image 304. The system may also use a single imaging lens, where the firing end of the fiber source 301 will be located at least 2f from the imaging optics and the imaging plane will be at least at 2f from the same optics. This approach would require a significantly larger lens than the preferred embodiment using a collimating lens and a focusing lens to reimage the fiber tow. A thermal imaging camera or pyrometer preferably monitors the temperature of the melt bath, for each individual spot in the multi-spot image, on the powder bed.

[0073] Согласно вариантам осуществления 1-D системы формирования рисунка, 1-D линия излучателей, например, торцов волокон, может быть 2, 3, 4, …, n, в зависимости от физического размера волокон и QBH-соединителя. Согласно варианту осуществления существует единое волокно. Согласно варианту осуществления, от 2 до 15, от 2 до 10, от 5 до 50, от 2 до 1000, от 5 до 500, от 100 до 2000, более 10, более 20, более 50, и их комбинации и разновидности, и большие и меньшие количества волокон располагаются, например, рядом. Таким образом, можно использовать, например, волокна диаметром 200 мкм, (имеющие диаметр сердцевины, например, от около 10 до около 185 мкм) и их пучки и изображение пучков, повторно изображаемое на порошковую подушку для обеспечения мощности для плавления и сплавления порошка с базовым материалом.[0073] In embodiments of the 1-D patterning system, the 1-D line of emitters, eg, fiber ends, may be 2, 3, 4, ..., n, depending on the physical size of the fibers and the QBH connector. In an embodiment, there is a single fiber. According to an embodiment, 2 to 15, 2 to 10, 5 to 50, 2 to 1000, 5 to 500, 100 to 2000, more than 10, more than 20, more than 50, and combinations and variations thereof, and larger and smaller amounts of fibers are located, for example, side by side. Thus, for example, fibers with a diameter of 200 µm (having a core diameter of, for example, from about 10 to about 185 µm) and their bundles and the image of the bundles re-imaged on the powder pad to provide power to melt and fuse the powder with the base can be used. material.

[0074] На фиг. 4A показан вид в перспективе варианта осуществления выхода 700 соединителя жгута типа QBH. Этот выход 700 соединителя имеет пять волокон 701, расположенных по прямой линии, для обеспечения пяти излучателей лазерных пучков и их изображений, например, круглых пятен. Выход 700 соединителя имеет механический вход 702 QBH, который вмещает пять волокон. Этот вход 702 может вставляться, например, в печатающую головку или объединительный узел, например, типа, показанного на фиг. 4B. Выход 700 соединителя имеет защитное покрытие 703, которое покрывает оптические волокна и имеет датчик разъединения.[0074] FIG. 4A is a perspective view of an embodiment of a QBH harness connector outlet 700. This connector outlet 700 has five fibers 701 arranged in a straight line to provide five emitters of laser beams and their images, such as circular spots. Connector outlet 700 has a QBH mechanical inlet 702 that accommodates five fibers. This inlet 702 may be inserted into, for example, a printhead or a connector, such as the type shown in FIG. 4b. Connector outlet 700 has a protective coating 703 that covers the optical fibers and has a disconnect sensor.

[0075] Пример варианта осуществления объединителя жгута волокон показан на фиг. 4B. Объединитель 806 в этом случае является объединителем пустого пространства, где входные волокна 801, 802, 803, 804, 805, коллимируются до объединения и перефокусируются в жгут 807 выходных волокон, который затем передается оптическими волокнами, например, на выходной соединитель, печатающую головку. Жгут волокон принимает мощность из каждого из отдельных волокон, 801, 802, 803, 804, 805 и повторно изображается на порошковую подушку. Мощность из каждого волокна может составлять около 2 ватта (Вт), 10 Вт, 100 Вт, около 150 Вт, около 500 Вт, около 1 кВт, около 2 кВт, от около 1 Вт до около 2 кВт, от около 2 Вт до около 150 Вт, от около 250 Вт до около 1 кВт, или много киловатт, и их комбинации и разновидности, в зависимости, например, от того, насколько быстро портальная система может сканировать, и размера изображения жгута волокон.[0075] An example embodiment of a tow combiner is shown in FIG. 4b. Combiner 806 in this case is an empty space combiner where input fibers 801, 802, 803, 804, 805 are collimated to combine and refocused into output fiber bundle 807, which is then transmitted by optical fibers to, for example, output connector, print head. The bundle of fibers receives power from each of the individual fibers, 801, 802, 803, 804, 805, and is redrawn onto the powder bed. The power from each fiber can be about 2 watts (W), 10W, 100W, about 150W, about 500W, about 1kW, about 2kW, about 1W to about 2kW, about 2W to about 150 watts, from about 250 watts to about 1 kW, or many kilowatts, and combinations and variations thereof, depending on, for example, how fast the portal system can scan and the image size of the fiber bundle.

[0076] Примеры различных вариантов осуществления рисунков 1-D лазерного изображения (например, многопятенных изображений), которые могут генерироваться 1-D конфигурациями жгута волокон и печатающими головками, показаны на фиг. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F. Направление перемещения рисунка на порошковой подушке указано стрелками. Эти лазерные рисунки могут использоваться с любым из вариантов осуществления систем аддитивного производства, печатающих головок и способов в соответствии с настоящим изобретением.[0076] Examples of various embodiments of 1-D laser image patterns (eg, multi-spot images) that can be generated by 1-D fiber tow configurations and printheads are shown in FIG. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F. The direction of movement of the pattern on the powder pad is indicated by arrows. These laser patterns can be used with any of the embodiments of additive manufacturing systems, printheads, and methods in accordance with the present invention.

[0077] Пятна в многопятенном изображении могут иметь круглую, эллиптическую, квадратную, прямоугольную и другие формы; они могут объединяться, соседствовать, перекрываться, частично перекрываться; они могут быть линейными, прямолинейными, криволинейными, ступенчатыми, в рисунке, образующем более крупную область, например, квадратную или прямоугольную; и комбинации и разновидности этих и других конфигураций и компоновок. Эти лазерные рисунки могут использоваться с любым из вариантов осуществления систем аддитивного производства, печатающих головок и способов в соответствии с настоящим изобретением.[0077] The spots in a multi-spot image may be round, elliptical, square, rectangular, and other shapes; they can unite, adjoin, overlap, partially overlap; they can be linear, rectilinear, curvilinear, stepped, in a pattern that forms a larger area, such as a square or rectangular; and combinations and variations of these and other configurations and arrangements. These laser patterns can be used with any of the embodiments of additive manufacturing systems, printheads, and methods in accordance with the present invention.

[0078] Деталь печатается путем сканирования 1-D изображения жгута волокон по порошковой подушке. 1-D изображение выходов волокна высокой мощности заметается на оси y портальной системой и ступенчато изменяется по оси x для повторения рисунка. Ступенчатое изменение может соседствовать с дорожкой просто принтер, или оно может произвольно изменяться в зависимости от рисунков напряжения, желаемых в окончательной детали. После печати, подъемник порошковой подушки, который располагается под порошковой подушки, опускает порошковую подушку на заранее определенную величину, (например, около 40 мкм, около 50 мкм, около 60 мкм, от около 35 мкм до около 65 мкм и их комбинации и большие и меньшие расстояния), распределитель порошка распределяет ровный слой порошкового металла, валик сжимает порошковую подушку для снижения пористости порошка. После подготовки порошковой подушки для следующего слоя, на следующих слоях печатается изображение 1-D жгута волокон, сканируемое по его поверхности.[0078] The part is printed by scanning a 1-D image of a tow of fibers over a powder pad. The 1-D image of the high power fiber outputs is swept on the y-axis by the gantry system and staggered on the x-axis to repeat the pattern. The step change may be adjacent to a simple printer track, or it may vary arbitrarily depending on the stress patterns desired in the final part. After printing, the powder bed lifter, which is positioned under the powder bed, lowers the powder bed by a predetermined amount, (e.g., about 40 µm, about 50 µm, about 60 µm, about 35 µm to about 65 µm, and combinations thereof, and large and smaller distances), the powder spreader distributes an even layer of powder metal, the roller compresses the powder pad to reduce the porosity of the powder. After preparing the powder pad for the next layer, the following layers are printed with a 1-D image of the fiber tow, scanned across its surface.

[0079] Волоконная система также может быть заменена отдельными лазерными диодами, однако это не является предпочтительным вариантом осуществления вследствие размера печатающей головки и сложной электроники, необходимой для возбуждения отдельных лазерных диодов. Отдельные лазерные диоды могут составлять часть адресуемого линейного массива лазерных диодов, и в этом случае отдельные лазерные диоды составляют часть непрерывной линейной сборки, с индивидуальными возможностями возбуждения током. Это хорошая альтернатива волоконному подходу с ограниченной мощностью отдельного излучателя.[0079] The fiber system can also be replaced by individual laser diodes, however this is not a preferred embodiment due to the size of the printhead and the complex electronics required to drive the individual laser diodes. The individual laser diodes may form part of an addressable line array of laser diodes, in which case the individual laser diodes form part of a continuous line array, with individual current drive capabilities. This is a good alternative to the fiber approach with limited single emitter power.

Система формирования р1-D рисунка с вторичным лазеромP1-D patterning system with secondary laser

[0080] Согласно варианту осуществления, дополнительный или второй лазерный пучок добавляется к печатающей головке для обеспечения средства для предварительного нагрева, управления охлаждением и регулировки температуры отпечатанного изображения. Вторичный лазерный пучок также может именоваться пучком нагрева; тогда как первичные лазерные пучки, которые используются для плавления и сплавления порошка для формирования объекта, могут именоваться лазером наращивания и лазерным пучком наращивания.[0080] According to an embodiment, an additional or second laser beam is added to the printhead to provide a means for preheating, controlling cooling, and adjusting the temperature of the printed image. The secondary laser beam may also be referred to as a heating beam; while the primary laser beams, which are used to melt and fuse the powder to form the object, may be referred to as the build-up laser and build-up laser beam.

[0081] Вариант осуществления печатающей головки, имеющей первичный и вторичный лазерные пучки, показан на фиг. 5A, жгут волокон, который обеспечивает первичные лазерные пучки и создает первичное изображение 409 (которое может быть многопятенным изображением) на порошковой подушке, доставляется QBH-соединителем 401 и присоединяется к печатающей головке 400 цангой 402. Оптическая система для пути пучка и доставки пучка для первичного изображения 409 состоит из линзы 405 для коллимации выхода жгута волокон. Затем коллимированный выход фокусируется на порошковую подушку в качестве первичного изображения 409 фокусирующей линзой 406. Эта оптическая система аналогична предыдущему описанию, где линзы могут быть плоско-выпуклыми, плоско-выпуклыми асферическими, дублетами или триплетами. Второй лазерный пучок вводится в печатающую головку 400 через оптическое волокно, доставляемое QBH-соединителем 403, который присоединен к печатающей головке цангой 404. Линза 407 используется для коллимации выхода волокна. Линза 407 может быть плоско-выпуклой, плоско-выпуклой асферической, дублетом или триплетом. При высоких уровнях мощности дублет или триплет должен иметь воздушное разделение, поскольку большинство цементов не выдерживает высокие уровни мощности. Затем коллимированный пучок преобразуется и фокусируется в порошковую подушку линзовой или микролинзовой системой 408, которая формирует пучок во вторичное изображение и перенаправляет его для перекрытия с первичным изображением 409. Вариант осуществления этих перекрывающихся изображений показан на фиг. 5B. Перекрывающиеся изображения 450 могут быть первичным многопятенным изображением 451, имеющим первичные пятна 411, 412, 413, 414, 415, которые распространяются из первичных волокон в жгуте первичных волокон. Первичные пятна объединяются с вторичным изображением 410 вторичного преобразованного лазерного пучке. Предпочтительно вторичное изображение нагревает объем порошка 420. В этом варианте осуществления, вторичный лазерный пучок предназначен для доставки большей части своей энергии непосредственно перед 1-D рисунком 451, переносимым в направлении “y”, указанном стрелкой 416. Оба первичный 451 и вторичный 410 рисунки движутся с одинаковой скоростью и в одном и том же направлении 416. Этот рисунок вторичного пучка предварительно нагревает порошок, помогает изображению жгута волокон плавить порошок и приплавлять его к подложке, и обеспечивает некоторое тепло после сплавления для отжига материала, таким образом снижая внутренние напряжения в печатаемой детали. Остальная система функционирует, как описано в предыдущем разделе, где камера теплового формирования изображения или массив пирометров встроена в систему для обеспечения обратной связи с лазерными системами для поддержки порошка непосредственно перед изображением жгута 451 первичных волокон при заранее определенной температуре, предпочтительно чуть ниже точки плавления порошка. В ходе процесса сплавления, сигнал обратной связи от камеры теплового формирования изображения или массива пирометров используется для регулировки мощности вторичного лазера, отдельных лазеров в жгуте волокон, которые создают изображение 451, и обоих, для создания заранее определенной температуры порошка в изображении жгута волокон. Заранее определенные температуры порошка, используемые в системе, будут первоначально определяться эмпирически с системой и использоваться как руководство для всех наращиваний для минимизации шероховатости поверхности, пористости детали и размера детали. Вторичный лазерный источник может иметь мощность 50 Вт, 100 Вт, 150 Вт, 500 Вт, 1000 Вт, от около 50 Вт до около 2 кВт, от около 250 Вт до около 1 кВт, и много киловатт, и все значения в этих диапазонах, в зависимости, например, от скорости сканирования печатающей головки и площади используемого рисунка массива волокон.[0081] An embodiment of a printhead having primary and secondary laser beams is shown in FIG. 5A, the bundle of fibers that provides the primary laser beams and produces the primary image 409 (which may be a multi-spot image) on the powder pad is delivered by a QBH connector 401 and attached to the print head 400 by a collet 402. An optical system for the beam path and beam delivery for the primary image 409 consists of a lens 405 for collimating the exit of the bundle of fibers. The collimated output is then focused onto the powder pad as the primary image 409 by the focusing lens 406. This optical system is similar to the previous description where the lenses can be plano-convex, plano-convex aspherical, doublets or triplets. The second laser beam is introduced into the print head 400 through an optical fiber delivered by a QBH connector 403 which is attached to the print head by a collet 404. A lens 407 is used to collimate the output of the fiber. Lens 407 may be plano-convex, plano-convex aspherical, doublet, or triplet. At high power levels, the doublet or triplet must have an air separation since most cements cannot withstand high power levels. The collimated beam is then converted and focused into a powder pad by a lens or microlens system 408 which shapes the beam into a secondary image and redirects it to overlap with the primary image 409. An embodiment of these overlapping images is shown in FIG. 5b. The overlapping images 450 may be a primary multi-spot image 451 having primary spots 411, 412, 413, 414, 415 that propagate from the primary fibers in the primary fiber tow. The primary spots are combined with the secondary image 410 of the secondary converted laser beam. Preferably, the secondary image heats the volume of powder 420. In this embodiment, the secondary laser beam is designed to deliver most of its energy just ahead of the 1-D pattern 451 carried in the “y” direction indicated by arrow 416. Both the primary 451 and secondary 410 patterns move at the same speed and in the same direction 416. This secondary beam pattern preheats the powder, helps the tow image to melt the powder and fuse it to the substrate, and provides some post-fusion heat to anneal the material, thus reducing internal stresses in the printed part. . The rest of the system functions as described in the previous section, where a thermal imaging camera or array of pyrometers is built into the system to provide feedback to the laser systems to support the powder just before imaging the primary fiber tow 451 at a predetermined temperature, preferably just below the melting point of the powder. During the fusion process, feedback from the thermal imaging camera or pyrometer array is used to adjust the power of the secondary laser, the individual lasers in the fiber bundle that produce the image 451, and both to create a predetermined temperature of the powder in the fiber bundle image. The predetermined powder temperatures used in the system will initially be empirically determined with the system and used as a guide for all build-ups to minimize surface roughness, part porosity and part size. The secondary laser source can be 50 W, 100 W, 150 W, 500 W, 1000 W, about 50 W to about 2 kW, about 250 W to about 1 kW, and many kilowatts, and all values in these ranges, depending on, for example, the scanning speed of the printhead and the area of the fiber array pattern used.

[0082] На фиг. 6A и 6B показан вид в перспективе лазерной головки 500, которая обеспечивает объединенное изображение 509 вторичного изображения 552 и первичного изображения 551, где оба жгут вторичных волокон и лазерный источник обеспечивает адресуемый тепловой рисунок на порошковой подушке. Фиг. 6 иллюстрирует использование жгута вторичных волокон, где жгут волокон присоединен соединителем 503 к печатающей головке 500 цангой 504. Жгут первичных волокон присоединен соединителем 501 и цангой 502 к печатающей головке 500 и имеет коллимирующую линзу 505 и фокусирующую линзу 506 с преобразованием Фурье. Линза 507 коллимирует жгут волокон, и система 508 преобразования создает n изображения пучка жгута вторичных волокон, которые могут индивидуально управляться для формирования изображения 552, которое в этом варианте осуществления имеет изображения 516, 517, 518, 519, 520, которые соответствуют объему порошка в порошковой подушке, которая нагревается. Путем управления временем включения и отключения каждого вторичного лазерного источника, можно изменять характеристики предварительного нагрева и охлаждения каждого соответствующего объема изображений 516-520. Согласно варианту осуществления фиг. 5B, два внешних волокна, которые обеспечивают внешние вторичные изображения 516, 520, включаются и отключаются одновременно для предварительного нагрева внешнего края рисунка. Затем два внутренних волокна, которые обеспечивают изображения 517, 519 включаться чуть позже, чтобы тепло, выделяющееся из внешних волокон, поглощалось во внутренние области поскольку во внутренних областях требуется меньше энергии в силу нагрева двух внешних областей. Изображение 518 центрального вторичного волокна требует еще меньше энергии, поэтому источник включается позже, на более низком уровне мощности и отключается позже для обеспечения тепла для отжига либо одной области, соответствующей лазерному пятну 513, либо всей области, соответствующей лазерным пятнам 511-515, которые формируют первичное многопятенное изображение 551, в зависимости от теплопроводности материала и конструкции детали. Каждое вторичное волокно может доставлять 30 Вт, 100 Вт, 150 Вт, от около 50 Вт до около 2 кВт, от около 250 Вт до около 1 кВт и много киловатт мощности и все значения в этих диапазонах, в зависимости, например, от скорости сканирования печатающей головки и размера нагреваемого рисунка.[0082] FIG. 6A and 6B show a perspective view of a laser head 500 that provides a combined image 509 of secondary image 552 and primary image 551, where both the secondary fiber tow and the laser source provide an addressable thermal pattern on the powder pad. Fig. 6 illustrates the use of a recycled fiber bundle where the fiber bundle is connected by a connector 503 to printhead 500 by collet 504. The primary fiber bundle is connected by connector 501 and collet 502 to printhead 500 and has a collimating lens 505 and a Fourier transform focusing lens 506. The lens 507 collimates the bundle of fibers and the transformation system 508 creates n bundle images of the bundle of recycled fibers which can be individually manipulated to form an image 552 which in this embodiment has images 516, 517, 518, 519, 520 which correspond to the volume of powder in the powder. pillow that is heated. By controlling the on and off times of each secondary laser source, the preheating and cooling characteristics of each respective image volume 516-520 can be varied. According to the embodiment of FIG. 5B, the two outer fibers that provide the outer secondary images 516, 520 are switched on and off simultaneously to preheat the outer edge of the pattern. Then the two inner fibers that provide the images 517, 519 turn on a little later so that the heat generated from the outer fibers is absorbed into the inner regions since less energy is required in the inner regions due to the heating of the two outer regions. The image 518 of the central secondary fiber requires even less power, so the source turns on later at a lower power level and turns off later to provide heat to anneal either one area corresponding to laser spot 513 or the entire area corresponding to laser spots 511-515, which form primary multi-spot image 551, depending on the thermal conductivity of the material and the design of the part. Each secondary fiber can deliver 30 watts, 100 watts, 150 watts, about 50 watts to about 2 kW, about 250 watts to about 1 kW, and many kilowatts of power, and all values in these ranges, depending on, for example, scan speed print head and heated pattern size.

[0083] На фиг 7A и 7B показаны виды в перспективе лазерной печатающей головки 600, которая обеспечивает многопятенное изображение 608 первичного лазерного пучка, имеющее пятна 610, 611, 612, 613, 614, и изображение 609 вторичного лазерного пучка, которое перекрывает изображение 608 и нагревает объем 651 порошка. Первичным лазерным источником является массив 601 диодов (который может обеспечивать 1-D рисунок или 2-D рисунок) путь первичного лазерного пучка выходит из массива 601 и входит в первую оптику 604 преобразования пучка и затем вторую оптику 605 преобразования пучка для формирования изображения 608, которое является 1-D рисунком, на поверхности порошковой подушки. Вторичный лазер имеет волокно или жгут волокон, подключенный к печатающей головке 600 соединителем 603 и цангой 603. Путь вторичного лазерного пучка проходит из волокна или жгута волокон к коллимирующей линзе 606 и затем к оптике 607 преобразования пучка для формирования и перекрытия изображения 609 вторичного лазерного пучка с изображением 608 первичного лазерного пучка. Направление перемещения лазерных пучков и их соответствующих изображений относительно порошковой подушки указано стрелкой 615.[0083] FIGS. 7A and 7B show perspective views of a laser printhead 600 that provides a multi-spot primary laser beam image 608 having spots 610, 611, 612, 613, 614 and a secondary laser beam image 609 that overlaps image 608 and heats a volume of 651 powder. The primary laser source is a diode array 601 (which may provide a 1-D pattern or a 2-D pattern) the primary laser beam path exits the array 601 and enters the first beam conversion optics 604 and then the second beam conversion optics 605 to form an image 608 which is a 1-D pattern, on the surface of the powder pad. The secondary laser has a fiber or bundle of fibers connected to the printhead 600 by a connector 603 and a collet 603. The secondary laser beam path extends from the fiber or bundle of fibers to a collimating lens 606 and then to a beam conversion optics 607 to form and overlay an image 609 of the secondary laser beam with image 608 of the primary laser beam. The direction of movement of the laser beams and their respective images relative to the powder pad is indicated by arrow 615.

[0084] Согласно варианту осуществления фиг. 7A и 7B, адресуемый массив лазерных диодов создает адресуемый тепловой рисунок на порошковой подушке. Каждый излучатель из адресуемого массива лазерных диодов 601, может иметь мощность 3 Вт, 10 Вт или выше, которая ограничивается технологией изготовления массивов диодов. Сами по себе уровни мощности отдельных лазерных диодов недостаточны для плавления многих металлических материалов, поэтому вторичный источник тепла или лазерный источник, который обеспечивается волокном или жгутом волокон в соединителе 602, необходим для любой конструкции, где используется адресуемый массив лазерных диодов. Может использоваться либо нагреваемая порошковая подушка, либо вторичный лазерный источник. Здесь вторичный лазерный источник используется для обеспечения изображения 609 для предварительного нагрева объема 651 порошка до чуть ниже точки плавления, и изображение 608 массива лазерных диодов используется для плавления и сплавления порошка с материалом под ним. Вторичный лазерный источник может быть единым волокном, жгутом волокон, который присоединяется к печатающей головке 600 соединителем 602 и цангой 603, или вторичный лазерный источник может быть другим массивом лазерных диодов, который коллимируется и повторно изображается для формирования единого изображения 609 или ряда изображений, например, показанных согласно варианту осуществления фиг. 6A. Предпочтительным вариантом осуществления для массива лазерных диодов является синий лазерный диод благодаря более высокому поглощению по сравнению с IR лазерным диодом. 1-D рисунки, которые можно использовать в прямом массиве лазерных диодов, наиболее вероятно являются вариантом осуществления на фиг. 8B и 8D, где разнесение между диодами следует рассматривать в любой конструкции, однако оптика, которая преобразует изображение, может использоваться для создания любого из изображений вариантов осуществления на фиг. 8A-8A.[0084] According to the embodiment of FIG. 7A and 7B, an addressable array of laser diodes creates an addressable thermal pattern on the powder pad. Each emitter of the addressable laser diode array 601 may have a power of 3W, 10W, or higher, which is limited by the diode array technology. On their own, the power levels of individual laser diodes are insufficient to melt many metallic materials, so a secondary heat source or laser source, which is provided by the fiber or bundle of fibers in connector 602, is necessary for any design that uses an addressable array of laser diodes. Either a heated powder pad or a secondary laser source can be used. Here, a secondary laser source is used to provide an image 609 to preheat the powder volume 651 to just below the melting point, and a laser diode array image 608 is used to melt and fuse the powder with the material underneath. The secondary laser source may be a single fiber, bundle of fibers that is connected to print head 600 by connector 602 and collet 603, or the secondary laser source may be another array of laser diodes that is collimated and reimaged to form a single image 609 or series of images, for example, shown according to the embodiment of FIG. 6A. The preferred embodiment for the laser diode array is a blue laser diode due to its higher absorption compared to an IR laser diode. 1-D patterns that can be used in a direct array of laser diodes are most likely the embodiment of FIG. 8B and 8D where diode spacing is to be considered in any design, however the optics that transform the image can be used to produce any of the images of the embodiments in FIG. 8A-8A.

[0085] Один или более или все из первичных лазерных пучков, формирующих первичный рисунок лазерного пучка могут находиться полностью в области вторичного лазерного рисунка, частично в области вторичного лазерного рисунка, полностью вне области рисунка второго лазерного пучка, и их комбинации и разновидности. Согласно вариантам осуществления, рисунки первичного и вторичного лазерного пучка могут перемещаться с одинаковой скоростью в одном и том же направлении, с разными скоростями в одном и том же направлении (например, первичный быстрее, или вторичный быстрее) и в разных направлениях, с одинаковыми или разными скоростями) и их комбинации и разновидности. Первичный и вторичный лазерные пучки также могут перемещаться в независимых заранее определенных рисунках для наращивания предметов конкретных типов или придавать наращиваемому предмету конкретные типы признаков.[0085] One or more or all of the primary laser beams forming the primary laser beam pattern may be entirely within the secondary laser pattern, partially within the secondary laser pattern, entirely outside the second laser beam pattern, and combinations and variations thereof. According to embodiments, the patterns of the primary and secondary laser beams can move at the same speed in the same direction, at different speeds in the same direction (for example, the primary is faster, or the secondary is faster) and in different directions, with the same or different speeds) and their combinations and varieties. The primary and secondary laser beams can also be moved in independent predetermined patterns to build up specific types of objects or impart specific types of features to the growing object.

[0086] Первичный рисунок лазерного пучка может иметь один, два, три, четыре, или более, и десятки или более, лазерных пучков. Вторичный рисунок лазерного пучка может быть единым пучком или может быть множественными лазерными пучками или множественными перекрывающимися лазерными пучками и их комбинациями, и разновидностями.[0086] The primary laser beam pattern may have one, two, three, four or more, and dozens or more laser beams. The secondary laser beam pattern may be a single beam, or may be multiple laser beams or multiple overlapping laser beams, and combinations and variations thereof.

[0087] Поперечное сечение первичного лазерного пучка может иметь круглую, эллиптическую или квадратную, или другие формы. Рисунки первичного лазерного пучка могут располагаться линейно, в квадратной конфигурации, в прямоугольной конфигурации, в круглой конфигурации, в эллиптической конфигурации, в параболической конфигурации (выпуклой или вогнутой относительно движения рисунка), в виде дуги (выпуклой или вогнутой относительно движения рисунка), конфигурации стрелки или “V”, ромбической конфигурации, а также в виде других геометрических фигур и конфигураций и их комбинаций и разновидностей.[0087] The cross section of the primary laser beam may be round, elliptical, or square, or other shapes. Patterns of the primary laser beam can be arranged linearly, in a square configuration, in a rectangular configuration, in a circular configuration, in an elliptical configuration, in a parabolic configuration (convex or concave with respect to the movement of the pattern), in the form of an arc (convex or concave with respect to the movement of the pattern), arrow configuration or “V”, rhombic configuration, as well as in the form of other geometric shapes and configurations and their combinations and varieties.

[0088] Согласно варианту осуществления, вторичный рисунок может быть получен с помощью лампы видимого, UV или IR света высокой интенсивности, свет которой проходит через пространственный модулятор света, или лазера высокой мощности, свет которого проходит через пространственный модулятор света, или массива лазеров, содержащего от 1 до N источников, образующих 1-D или 2-D рисунок. Массив вторичных лазеров может представлять собой массив лазерных диодов или массив волокон, подключенных к отдельным лазерным системам.[0088] According to an embodiment, the secondary pattern can be obtained with a high intensity visible, UV or IR light lamp whose light passes through a spatial light modulator, or a high power laser whose light passes through a spatial light modulator, or a laser array containing 1 to N sources forming a 1-D or 2-D pattern. The secondary laser array may be an array of laser diodes or an array of fibers connected to separate laser systems.

[0089] Система формирования 2-D рисунка[0089] 2-D Patterning System

[0090] Предпочтительный вариант осуществления предусматривает использование двухмерных (2-D) жгутов волокон или массивов лазеров в качестве источника тепла, или энергии, при печати металлической детали. Пример некоторых 2-D жгутов волокон и создаваемых ими лазерных рисунков или многопятенных изображений показаны в вариантах осуществления на фиг. 8D-8F. На фиг. 8F показано изображение квадратных пятен, сформированных из массива квадратных или прямоугольных оптических волокон или другой оптики, которая формирует пучки для обеспечения этих пятен. Согласно варианту осуществления, переход от системы формирования 1-D рисунка к варианту осуществления системы формирования 2-D рисунка состоит в добавлении одного или более рядов волокон в печатающей головке (сравним фиг. 8C с 8E) и способности более быстрой печати благодаря увеличению адресуемой области. Эти 2-D источники могут иметь отдельные уровни мощности лазера 3 Вт, 10 Вт, 20 Вт, 100 Вт, 150 Вт, от около 50 Вт до около 2 кВт, от около 250 Вт до около 1 кВт и много киловатт в зависимости от скорости сканирования системы печати и размера отпечатанного рисунка.[0090] A preferred embodiment involves the use of two-dimensional (2-D) fiber bundles or laser arrays as a source of heat, or energy, when printing a metal part. An example of some 2-D fiber tows and the laser patterns or multispot images they produce are shown in the embodiments of FIG. 8D-8F. In FIG. 8F shows an image of square spots formed from an array of square or rectangular optical fibers or other optics that form beams to provide these spots. According to an embodiment, the transition from a 1-D patterning system to an embodiment of a 2-D patterning system is to add one or more rows of fibers in the print head (compare Fig. 8C with 8E) and the ability to print faster due to the increased addressable area. These 2-D sources can have individual laser power levels of 3W, 10W, 20W, 100W, 150W, about 50W to about 2kW, about 250W to about 1kW, and many kilowatts depending on speed. scanning of the printing system and the size of the printed pattern.

[0091] Система формирования 2-D рисунка также может быть объединена с единым вторичным лазерным источником, массивом вторичных лазерных источников или жгутом вторичных лазерных источников, и их комбинациями и разновидностями, для обеспечения энергии для предварительного нагрева или управляемого охлаждения печатаемого рисунка. Согласно вариантам осуществления, на изображения высокой мощности на порошковой подушке может накладываться единый вторичный лазер. На фиг. 9A - 9F показаны виды в плане вариантов осуществления составных изображений из первичных изображений и вторичных изображений. Направление перемещения рисунков обоих первичного и вторичного пучков показано стрелкой на каждой фигуре.[0091] The 2-D patterning system may 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 printed pattern. In embodiments, a single secondary laser can be superimposed on high power powder-pad images. In FIG. 9A-9F are plan views of embodiments of composite images from primary images and secondary images. The direction of movement of the patterns of both the primary and secondary beams is indicated by an arrow in each figure.

[0092] На фиг. 9A показан вариант осуществления прямолинейного многопятенного 1-D первичного изображения под углом к перемещению направления и полностью в круглом вторичном изображении.[0092] FIG. 9A shows an embodiment of a rectilinear multispot 1-D primary image at an angle to direction movement and fully in a circular secondary image.

[0093] На фиг. 9B показан вариант осуществления первичного изображения, которое является наклонным массивом 1-D изображений с мертвой зоной между каждым пятном, компенсируемым по углу наклона пятен, и единым вторичным изображением, обеспеченным вторичным лазерным источником для предварительного нагрева порошка до сплавления. В этом варианте осуществления вторичное изображение соседствует, но без перекрытия с рисунка первичного пучка.[0093] FIG. 9B shows an embodiment of the primary image, which is a slanted 1-D image array with a dead zone between each spot, compensated for the angle of the spots, and a single secondary image provided by a secondary laser source to preheat the powder to fuse. In this embodiment, the secondary image is adjacent to, but without overlapping, the pattern of the primary beam.

[0094] На фиг. 9C показан вариант осуществления первичного изображения простого линейного массива, перекрывающегося с прямоугольным вторичным лазерным изображением для обеспечения энергии как предварительного нагрева, так и последующего сплавления для регулировки температуры через последовательность наращивания.[0094] FIG. 9C shows an embodiment of a simple line array primary image overlaid with a rectangular secondary laser image to provide both preheat and post-fusion energy for temperature control through a build-up sequence.

[0095] На фиг. 9D показан вариант осуществления разнесенного 2-D массива рисунков, перекрывающегося единым эллиптическим вторичным лазерным пятном, опять же, для обеспечения энергии, необходимой для данной скорости сканирования для доведения порошка до температуры чуть ниже температуры плавления и для обеспечения средства для отжига материала после сварки.[0095] FIG. 9D shows an embodiment of a spaced 2-D pattern array overlaid by a single elliptical secondary laser spot, again to provide the energy needed for a given scan speed to bring the powder to just below melting temperature and to provide a means to anneal the material after welding.

[0096] На фиг. 9E показан вариант осуществления 2-D первичного изображения из плотного массива волокон опять же с изображением единого пучка предварительного нагрева из вторичного лазерного источника, которое соседствует с первичным изображением и перед ним.[0096] FIG. 9E shows a 2-D embodiment of a dense fiber array primary image, again with a single preheat beam image from a secondary laser source adjacent to and in front of the primary image.

[0097] На фиг. 9F показан вариант осуществления 2-D первичного изображения из плотного массива квадратных волокон, которые соседствуют. Согласно варианту осуществления квадраты перекрываются для минимизации интервалов обработки. Этот рисунок плотного массива перекрывается вторичным лазерным источником с намерением предварительного нагрева порошка, обеспечивая дополнительную энергию в ходе процесса плавления и связывания и в конце концов обеспечивают одну ту же регулировку температуры после этапа плавления и сплавления.[0097] FIG. 9F shows an embodiment of a 2-D primary image from a dense array of square fibers that are adjacent. In an embodiment, the squares overlap to minimize processing intervals. This dense array pattern is overlaid with a secondary laser source with the intent of preheating the powder, providing additional energy during the melting and bonding process and finally providing the same temperature control after the melting and fusion step.

[0098] Эти вторичные лазерные источники для рисунков вторичного изображения вариантов осуществления на фиг 9A - 9F, и в других вариантах осуществления вторичных лазерных рисунков и изображений, могут иметь мощность около 2 Вт, около 3 Вт, около 10 Вт, около 20 Вт, около 50 Вт, около 100 Вт, около 150 Вт, от около 50 Вт до около 2 кВт, от около 10 Вт до около 200 Вт, от около 50 Вт до около 500 Вт, от около 250 Вт до около 1 кВт и много киловатт, в зависимости от, например, скорости сканирования печатающей головки, мощности первичного лазерного пучка и размера нагреваемой области.[0098] These secondary laser sources for the secondary image patterns of the embodiments of FIGS. 9A-9F, and in other secondary laser pattern and image embodiments, may have a power of about 2W, about 3W, about 10W, about 20W, about 50W, about 100W, about 150W, about 50W to about 2kW, about 10W to about 200W, about 50W to about 500W, about 250W to about 1kW and many kilowatts, depending on, for example, the scanning speed of the printhead, the power of the primary laser beam and the size of the heated area.

[0099] Объединение первичного лазерного источника со жгутованным волокном с вторичным источником со жгутованным волокном позволяет изменять температурные циклы предварительного нагрева и охлаждения в ходе наращивания объекта. Таким образом, циклы обработки предварительного нагрева и охлаждения могут изменяться, например, адаптироваться, к условиям наращивания предмета по мере ее наращивания. Таким образом, информация о свойстве наращиваемого предмета, например, температуре, шероховатости, плотности, спектре излучаемого или отражаемого света, используется для изменения и регулировки свойств лазерного пучка вторичного волокна, например, времени и мощности и, таким образом, регулировки вторичного изображения “на лету” в отношении первичного изображения, наращивания предмета и обоих. На фиг. 10A-10F показаны разные конфигурации и эффекты хронирования, возможные при перекрытии адресуемого рисунка лазерного изображения с адресуемым вторичным рисунком предварительного нагрева. Дополнительным преимуществом предварительного лазерного нагрева является устранение необходимости нагрева всей подушки или камеры, для которого требуется значительно больше энергии.[0099] Combining a primary bundled fiber laser source with a secondary bundled fiber source allows the preheating and cooling temperature cycles to be varied during object growth. Thus, the preheating and cooling processing cycles can change, for example, adapt to the conditions of the growth of the object as it builds up. Thus, information about the property of the object to be built up, such as temperature, roughness, density, spectrum of emitted or reflected light, is used to change and adjust the properties of the laser beam of the secondary fiber, such as time and power, and thus adjust the secondary image on the fly. ” in relation to the primary image, the build-up of the subject, and both. In FIG. 10A-10F show the various timing patterns and effects that are possible when an addressable laser image pattern is overlapped with an addressable secondary preheat pattern. An additional benefit of laser preheating is the elimination of the need to heat the entire pad or chamber, which requires significantly more energy.

[00100] Система регулировки температуры[00100] Temperature control system

[00101] Предыдущие системы аддитивного производства, до настоящего изобретения, действуют без обратной связи, что не позволяет точно управлять качеством печати. В этом состоял значительный недостаток этих предыдущих систем, который варианты осуществления настоящего изобретения позволяют решать и улучшать. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, контур обратной связи используется для точной регулировки температуры в каждом из 1-D или 2-D рисунков, а также вторичном лазерном рисунке и порошковой подушке, куда доставляются эти рисунки. Этот контур обратной связи обеспечивает многочисленные преимущества, включающие в себя, например, детали, которые наращиваются, будут иметь более низкую пористость, более низкую дефектность и лучшую шероховатость поверхности, чем может достичь система без обратной связи. Вследствие относительно низкой скорости перемещения портальной системы по сравнению с гальванометрическими системами, можно измерять температуру порошковой подушки в каждой точке рисунка печати и изменять настройку мощности лазера, адресующего эту область рисунка печати, на более оптимальную настройку в реальном времени, в процессе печати, например, регулировку “на лету” процесса печати на основании температурного профиля предмета по мере ее наращивания. Согласно варианту осуществления температурный профиль подушки отслеживается и управляется от лазерного пятна к лазерному пятну, чтобы затем регулировать мощность, хронирование и оба лазерных пятен для управления процессом наращивания предмета. Фиг. 11 иллюстрирует, как изображение 1101 жгута волокон может повторно изображаться 1103 на массив 1102 датчиков камеры. Затем программное обеспечение для считывания массива датчиков может распознавать нагреваемые области и обеспечивают среднюю температуру каждой области. Если все лазерные источники имеют одинаковую мощность, то центральные пиксели будут считывать гораздо более высокую температуру, чем внешние пиксели, и мощность во внутренние источники может снижаться, пока не будет достигнут однородный температурный профиль. Это поддерживает плавление и сплавление порошка в оптимальном температурном диапазоне. Это применяется не только к изображениям 2-D жгута волокон, но и к изображениям 1-D жгута волокон. После измерения температуры области, как показано на фиг. 12, вычисляется последовательность командных сигналов 1204-1210, которые увеличивают или уменьшают мощность в каждую область, пока не будет достигнут однородный или заранее определенный оптимальный температурный профиль. Таким образом, изображение 1201 массива или жгута волокон на порошковой подушке изображается на устройство для приема и анализа изображения, например, датчики, камеру, например, FLIR-камеру. Это обеспечивает матрицу 1202 температурных профилей на попиксельной основе. Процессор, например, компьютер, микропроцессор, интерполирует и транслирует температурные профили из матрицы 1202 в отношении программы наращивания и регулирует мощность лазера в соответствии со стратегией наращивания, отправляя сигналы 1204-1210 управления на лазеры, связанные с отдельными волокнами или изображениями, созданными этими лазерами. Таким образом, обеспечивается регулировка на лету от пятна к пятну лазерного пучка и профиля наращивания. Также, путем подачи сигнала обратной связи в реальном времени на лазерные источники, в случае, когда порошок надлежащим образом не плавится, то это будет осуществляться для увеличения мощности в эту область для увеличения вероятности его надлежащего плавления. Это будет происходить в областях, где существует большая изменчивость в диаметре порошков, причем для плавления порошков большего диаметра требуется больше энергии, чем для плавления порошков малого диаметра. Критично также удерживать порошки малого диаметра от испарения, поэтому обратная связь по температуре в реальном времени с лазерными источниками может использоваться для задания средней по области температуры, достаточной для плавления крупных частиц порошка, но недостаточной для испарения меньших частиц порошка.[00101] Previous additive manufacturing systems, prior to the present invention, operate without feedback, which does not allow precise control of print quality. This has been a significant drawback of these previous systems, which the embodiments of the present invention allow to solve and improve. According to an embodiment of the present invention, a feedback loop is used to fine-tune the temperature in each of the 1-D or 2-D patterns as well as the secondary laser pattern and the powder pad where the patterns are delivered. This feedback loop provides numerous benefits including, for example, parts that are built up will have lower porosity, lower imperfections, and better surface roughness than an open-loop system can achieve. Due to the relatively slow travel speed of the portal system compared to galvanometer systems, it is possible to measure the temperature of the powder bed at each point in the print pattern and change the power setting of the laser addressing that area of the print pattern to a more optimal setting in real time, during the printing process, for example, adjusting "on the fly" of the printing process based on the temperature profile of the object as it builds up. In an embodiment, the temperature profile of the pad is monitored and controlled from laser spot to laser spot to then adjust the power, timing, and both laser spots to control the item buildup process. Fig. 11 illustrates how a fiber bundle image 1101 can be re-imaged 1103 onto a camera sensor array 1102. The sensor array reading software can then recognize the heated areas and provide the average temperature of each area. If all laser sources are of the same power, then the center pixels will read a much higher temperature than the outer pixels, and the power to the inner sources may be reduced until a uniform temperature profile is achieved. This keeps the powder melting and fusing within the optimal temperature range. This applies not only to 2-D images of a fiber bundle, but also to 1-D images of a fiber bundle. After measuring the area temperature as shown in FIG. 12, a sequence of command signals 1204-1210 is computed that increase or decrease power to each region until a uniform or predetermined optimal temperature profile is reached. Thus, an image 1201 of an array or tow of fibers on a powder bed is imaged onto an image acquisition and analysis device, such as sensors, a camera, such as a FLIR camera. This provides a matrix 1202 of temperature profiles on a per-pixel basis. A processor, such as a computer, a microprocessor, interpolates and translates the temperature profiles from matrix 1202 in relation to the splice program and adjusts the laser power in accordance with the splice strategy by sending control signals 1204-1210 to the lasers associated with the individual fibers or images produced by those lasers. Thus, on-the-fly spot-to-spot adjustment of the laser beam and build-up profile is provided. Also, by providing a real-time feedback signal to the laser sources, in the event that the powder is not properly melted, it will be done to increase the power to that area to increase the likelihood of it being properly melted. This will occur in areas where there is great variability in the diameter of the powders, with larger diameter powders requiring more energy to melt than smaller diameter powders. It is also critical to keep small-diameter powders from evaporating, so real-time temperature feedback from laser sources can be used to set a region-averaged temperature sufficient to melt large powder particles, but not enough to vaporize smaller powder particles.

[00102] Примеры систем, обработки, конфигураций и способов вариантов осуществления настоящих систем и способов приведены в таблице I.[00102] Examples of systems, processing, configurations, and methods of embodiments of the present systems and methods are shown in Table I.

[00103] Таблица I.[00103] Table I.

МатериалMaterial Толщина слоя (мкм)Layer thickness (µm) Мощность каждого первичного лазера (Вт)Power of each primary laser (W) Диаметр пятна каждого первичного лазера (мкм)Spot diameter of each primary laser (µm) Количество первичных пятен XNumber of primary spots X Количество первичных пятен YNumber of primary spots Y Мощность вторичного лазерного пучка (Вт)Secondary laser beam power (W) Температура предварительного нагрева вторичного пятна (°C)Secondary Spot Preheat Temperature (°C) Размер пятна вторичного лазерного пучка (мкм) (X)Spot size of the secondary laser beam (µm) (X) Размер пятна вторичного лазерного пучка (мкм) (Y)Spot size of the secondary laser beam (µm) (Y) Скорость наращивания (см3/ч)Growth rate (cm 3 /h) CuCu 100100 100100 200200 11 11 11 2121 200200 200200 5454 CuCu 100100 100100 200200 11 22 11 2121 200200 400400 108108 CuCu 100100 100100 200200 11 33 11 2121 200200 600600 162162 CuCu 100100 100100 200200 11 11 100100 200200 200200 200200 6161 CuCu 100100 100100 200200 11 22 100100 200200 200200 400400 122122 CuCu 100100 100100 200200 11 33 100100 200200 200200 600600 183183 CuCu 100100 100100 200200 11 11 100100 600600 200200 200200 8585 CuCu 100100 100100 200200 11 22 200200 600600 200200 400400 170170 CuCu 100100 100100 200200 11 33 400400 600600 200200 600600 226226 CuCu 100100 100100 200200 11 11 100100 600600 200200 200200 8585 CuCu 100100 100100 200200 11 55 200200 600600 200200 10001000 6868 CuCu 100100 100100 200200 11 1010 10001000 600600 200200 20002000 170170 CuCu 100100 100100 200200 11 1010 400400 600600 200200 20002000 6868 CuCu 100100 100100 200200 11 1010 10001000 600600 200200 20002000 170170 CuCu 100100 100100 200200 11 1010 25002500 600600 200200 20002000 424424 CuCu 100100 100100 200200 44 1010 40004000 600600 800800 20002000 170170 CuCu 100100 100100 200200 44 1010 50005000 600600 800800 20002000 212212 CuCu 100100 100100 200200 44 1010 1200012000 600600 800800 20002000 509509 AlAl 100100 100100 200200 11 11 11 2121 200200 200200 6767 AlAl 100100 100100 200200 11 22 11 2121 200200 400400 133133 AlAl 100100 100100 200200 11 33 11 2121 200200 600600 200200 AlAl 100100 100100 200200 11 11 100100 200200 200200 200200 117117 AlAl 100100 100100 200200 11 22 100100 200200 200200 400400 234234 AlAl 100100 100100 200200 11 33 100100 200200 200200 600600 351351 AlAl 100100 100100 200200 11 11 150150 400400 200200 200200 164164 AlAl 100100 100100 200200 11 22 400400 400400 200200 400400 218218 AlAl 100100 100100 200200 11 33 800800 400400 200200 600600 291291 AlAl 100100 100100 200200 11 11 100100 400400 200200 200200 109109 AlAl 100100 100100 200200 11 55 600600 400400 200200 10001000 131131 AlAl 100100 100100 200200 11 1010 20002000 400400 200200 20002000 218218 AlAl 100100 100100 200200 11 1010 400400 400400 200200 20002000 4444 AlAl 100100 100100 200200 11 1010 10001000 400400 200200 20002000 109109 AlAl 100100 100100 200200 11 1010 25002500 400400 200200 20002000 273273 AlAl 100100 100100 200200 44 1010 40004000 400400 800800 20002000 109109 AlAl 100100 100100 200200 44 1010 50005000 400400 800800 20002000 136136 AlAl 100100 100100 200200 44 1010 1200012000 400400 800800 20002000 327327 SS304SS304 100100 100100 200200 11 11 11 2121 200200 200200 2626 SS304SS304 100100 100100 200200 11 22 11 2121 200200 400400 5252 SS304SS304 100100 100100 200200 11 33 11 2121 200200 600600 7878 SS304SS304 100100 100100 200200 11 11 100100 200200 200200 200200 2929 SS304SS304 100100 100100 200200 11 22 100100 200200 200200 400400 5757 SS304SS304 100100 100100 200200 11 33 200200 200200 200200 600600 8686 SS304SS304 100100 100100 200200 11 11 200200 600600 200200 200200 3737 SS304SS304 100100 100100 200200 11 22 200200 600600 200200 400400 7575 SS304SS304 100100 100100 200200 11 33 600600 600600 200200 600600 112112 SS304SS304 100100 100100 200200 11 11 100100 600600 200200 200200 3737 SS304SS304 100100 100100 200200 11 55 500500 600600 200200 10001000 9797 SS304SS304 100100 100100 200200 11 1010 30003000 600600 200200 20002000 290290 SS304SS304 100100 100100 200200 11 1010 600600 600600 200200 20002000 5858 SS304SS304 100100 100100 200200 11 1010 20002000 600600 200200 20002000 194194 SS304SS304 100100 100100 200200 11 1010 50005000 600600 200200 20002000 373373 SS304SS304 100100 100100 200200 44 1010 60006000 600600 800800 20002000 145145 SS304SS304 100100 100100 200200 44 1010 1000010000 600600 800800 20002000 242242 SS304SS304 100100 100100 200200 44 1010 1800018000 600600 800800 20002000 435435

[00104] Дополнительно, и в общем случае варианты осуществления настоящего изобретения относятся к объединению лазерных пучков, системам для создания этих комбинаций и процессам, использующим объединенные пучки. В частности, настоящее изобретение относится к массивам, сборкам и устройствам для объединения лазерных пучков из нескольких источников лазерного пучка в один или более объединенных лазерных пучков. Эти объединенные лазерные пучки, предпочтительно, сохраняют, расширяют и оба, различные аспекты и свойства лазерных пучков из отдельных источников.[00104] Additionally, and generally, embodiments of the present invention relate to combining laser beams, systems for creating these combinations, and processes using 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 retain, enhance and both different aspects and properties of laser beams from separate sources.

[00105] Варианты осуществления настоящих сборок массивов, и объединенные лазерные пучки, которые они обеспечивают, могут находить широкое применение. Варианты осуществления настоящих сборок массивов являются компактными и долговечными. Варианты осуществления настоящих сборок массивов применимы в сварке, аддитивном производстве, включающем в себя 3-D печать; системах аддитивного производства - фрезеровки, например, аддитивном и субтрактивном производстве; астрономии; метеорологии; формировании изображения; проекции, в том числе развлекательной; и медицине, в том числе стоматологии, и т.д.[00105] Embodiments of the present array assemblies, and the combined laser beams they provide, may find wide application. Embodiments of the present array assemblies are compact and durable. Embodiments of the present array assemblies are applicable to welding, additive manufacturing including 3-D printing; additive manufacturing systems - milling, for example, additive and subtractive manufacturing; astronomy; meteorology; image formation; projections, including entertainment ones; and medicine, including dentistry, etc.

[00106] Хотя это описание изобретения уделяет особое внимание массивам синих лазерных диодов, следует понимать, что этот вариант осуществления призван только иллюстрировать типы сборок массивов, систем, процессов и объединенных лазерных пучков, рассматриваемых настоящим изобретением. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя сборки массивов для объединения лазерных пучков из различных источников лазерного пучка, например, твердотельных лазеров, волоконных лазеров, полупроводниковых лазеров, а также других типов лазеров и их комбинаций и разновидностей. Варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя объединение лазерных пучков по всем длинам волны, например, лазерных пучков, имеющих длины волны от около 380 нм до около 800 нм (например, видимого света), от около 400 нм до около 880 нм, от около 100 нм до около 400 нм, от 700 нм до 1 мкм, и комбинации, разновидности конкретных длин волны в этих различных диапазонах. Варианты осуществления настоящих массивов также могут находить применение в микроволновом когерентном излучении (например, с длиной волны больше около 1 мм). Варианты осуществления настоящих массивов могут объединять пучки от одного, двух, трех, десятков или сотен лазерных источников. Эти лазерные пучки могут иметь мощность от нескольких милливатт до ватт и до киловатт.[00106] Although this specification focuses on blue laser diode arrays, it should be understood that this embodiment is only intended to illustrate the types of array assemblies, systems, processes, and combined laser beams contemplated by the present invention. Thus, embodiments of the present invention include array assemblies for combining laser beams from various laser beam sources, such as solid state lasers, fiber lasers, semiconductor lasers, and other types of lasers and combinations and variations thereof. Embodiments of the present invention include combining laser beams over all wavelengths, for example, laser beams having wavelengths from about 380 nm to about 800 nm (for example, visible light), from about 400 nm to about 880 nm, from about 100 nm to about 400 nm, from 700 nm to 1 µm, and combinations, varieties of specific wavelengths in these different ranges. Embodiments of the present arrays may also find use in microwave coherent radiation (eg, 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 have powers ranging from a few milliwatts to watts to kilowatts.

[00107] Вариант осуществления настоящего изобретения состоит из массива синих лазерных диодов, которые объединяются в конфигурации для предпочтительного создания лазерного источника высокой яркости. Этот лазерный источник высокой яркости может использоваться непосредственно для обработки материалов, т.е. маркировки, резания, сварки, пайки твердым припоем, тепловой обработки, отжига. Материалы, подлежащие обработке, например, исходные материалы или целевые материалы, могут включать в себя любой материал или компонент или состав, и, например, могут включать в себя полупроводниковые компоненты, например, но без ограничения, TFT (тонкопленочные транзисторы), исходные материалы 3-D печати, металлы, включающие в себя золото, серебро, платину, алюминий и медь, пластмассы, ткань и полупроводниковые вафли и т.д. Прямая обработка может включать в себя, например, абляцию золота из электроники, проекционных дисплеев, и лазерного светового шоу и т.д..[00107] An embodiment of the present invention consists of an array of blue laser diodes that are combined in a configuration to advantageously create a high brightness laser source. This high brightness laser source can be used directly for material processing, i.e. marking, cutting, welding, hard soldering, heat treatment, annealing. Materials to be processed, such as raw materials or target materials, may include any material or component or composition, and, for example, may include semiconductor components, such as, but not limited to, TFTs (Thin Film Transistors), raw materials 3 -D printing, metals including gold, silver, platinum, aluminum and copper, plastics, cloth and semiconductor wafers, etc. Direct processing may include, for example, gold ablation from electronics, projection displays, and laser light shows, etc.

[00108] Варианты осуществления настоящих лазерных источников высокой яркости также могут использоваться для накачки рамановского лазера или антистоксовского лазера. Рамановской средой может быть волоконная оптика или кристалл, например, алмаз, KGW (вольфрамат калия-гадолиния, KGd(WO4)2), YVO4 и Ba(NO3)2. Согласно варианту осуществления лазерными источниками высокой яркости являются источники в виде синих лазерных диодов, которые являются полупроводниковыми устройствами, действующими в диапазоне длины волны 400 нм - 500 нм. Рамановская среда является преобразователем яркости и способна повышать яркость источников в виде синих лазерных диодов. Повышение яркости может проходить полностью до создания одномодового источника с дифракционным ограничением пучков, т.е. пучка, имеющего M2 около 1 и 1,5 с параметром продукта пучка менее 1, менее 0,7, менее 0,5, менее 0,2 и менее 0,13 мм-мрад в зависимости от длины волны.[00108] Embodiments of the present high brightness laser sources can also be used to pump a Raman laser or an anti-Stokes laser. The Raman medium can be fiber optics or a crystal such as diamond, KGW (potassium gadolinium tungstate, KGd(WO 4 ) 2 ), YVO 4 and Ba(NO 3 ) 2 . In an embodiment, the high brightness laser sources are blue laser diode sources, which are semiconductor devices operating in the 400 nm-500 nm wavelength range. The Raman medium is a brightness converter and is capable of increasing the brightness of sources in the form of blue laser diodes. The increase in brightness can take place completely before the creation of a single-mode source with diffraction-limited beams, i.e. a beam having an M2 of about 1 and 1.5 with a beam product parameter less than 1, less than 0.7, less than 0.5, less than 0.2 and less than 0.13 mm-mrad depending on the wavelength.

[00109] Согласно варианту осуществления “n” или “N” (например, два, три, четыре и т.д., десятки, сотни или более) источники в виде лазерных диодов могут быть выполнены в виде жгута оптических волокон, что обеспечивает адресуемый источник света, который можно использовать для лазерных операций и процедур маркировки, плавления, сварки, абляции, отжига, тепловой обработки, резания материалов и их комбинации и разновидности и т.д.[00109] In an embodiment of “n” or “N” (e.g., two, three, four, etc., tens, hundreds, or more), the laser diode sources can be implemented as a bundle of optical fibers, which provides an addressable a light source that can be used for laser operations and procedures for marking, melting, welding, ablation, annealing, heat treatment, cutting of materials and their combinations and varieties, etc.

[00110] Вариант осуществления лазерной системы с конфигурацией адресуемой лазерной доставки. Система имеет адресуемую систему лазерных диодов. Система обеспечивает независимо адресуемые лазерные пучки множеству волокон (рассматриваются большие и меньшие количества волокон и лазерных пучков). Волокна объединяются в жгут волокон, которой содержится в защитной трубке или покрытии. Волокна в жгуте волокон сплавляются друг с другом для формирования печатающей головки, который включает в себя оптический узел, который фокусирует и направляет лазерные пучки, вдоль путей пучков, к целевому материалу. Печатающая головка и бункеры для порошка перемещаются совместно с перемещением печатающей головки в положительном направлении согласно. Дополнительный материал может располагаться поверх сплавленного материала с каждым проходом печатающей головки или бункера. Печатающая головка является двунаправленной и будет сплавлять материал в обоих направлениях по мере перемещения печатающей головки, поэтому бункеры для порошка действуют позади печатающей головки, обеспечивая наращивание материала, подлежащего сплавлению, на следующем проходе лазерной печатающей головки.[00110] An embodiment of a laser system with 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 (considering larger and smaller numbers of fibers and laser beams). The fibers are combined into a bundle of fibers, which is contained in a protective tube or cover. The fibers in the fiber bundle are fused together to form a print head which includes an optical assembly that focuses and guides laser beams, along the beam paths, to the target material. The print head and powder hoppers move together with the positive direction movement of the print head according to. Additional material may be placed on top of the fused material with each pass of the print head or hopper. The printhead is bi-directional and will fuse material in both directions as the printhead moves, so the powder hoppers act behind the printhead to build up the material to be fused on the next pass of the laser printhead.

[00111] Под “адресуемым массивом” подразумевается, что одно или более из: мощности; длительности зажигания; последовательности зажигания; позиции зажигания; мощности пучка; формы пятна пучка, а также фокусного расстояния, например, глубины проникновения в направлении z, может независимо изменяться, управляться и заранее определяться, или каждый лазерный пучок в каждом волокне для обеспечения точных и заранее определенных рисунков доставки, которые можно создавать из высокоточных конечных продуктов целевого материала (например, наращиваемых материалов) варианты осуществления адресуемых массивов также могут иметь способность для отдельных пучков и лазерных пятен, созданных этим пучком, для осуществления измененных, заранее определенных и точных лазерных операций, например, отжига, абляции и плавления.[00111] By "addressable array" is meant that one or more of: power; duration of ignition; ignition sequences; ignition positions; beam power; beam spot shape as well as focal length, such as z-direction penetration depth, can be independently varied, controlled and predetermined, or each laser beam in each fiber to provide accurate and pre-defined delivery patterns that can be generated from high-precision end products of the target material (e.g., stackable materials) addressable array embodiments may also have the ability for individual beams and laser spots created by that beam to perform modified, predefined, and precise laser operations, such as annealing, ablation, and melting.

[00112] Следующие примеры приведены для иллюстрации различных вариантов осуществления лазерных массивов, систем, устройств и способов настоящего изобретения. Эти примеры приведены в целях иллюстрации и не подлежат рассмотрению как ограничение объема настоящего изобретения.[00112] The following examples are provided to illustrate various embodiments of the laser arrays, systems, devices, and methods of the present invention. These examples are given for purposes of illustration and are not to be construed as limiting the scope of the present invention.

[00113] Пример 1[00113] Example 1

[00114] Массив синих лазерных диодов, пространственно объединенных для создания единого пятна в дальнем поле, который может быть подключен к оптическому волокну, устойчивому к соляризации, для доставки в заготовку.[00114] An array of blue laser diodes spatially combined to create a single spot in the far field, which can be connected to a solarization resistant optical fiber for delivery to a preform.

[00115] Пример 2[00115] Example 2

[00116] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, которые являются пучком поляризации, объединенным для увеличения эффективной яркости лазерного пучка.[00116] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is a polarization beam combined to increase the effective brightness of the laser beam.

[00117] Пример 3[00117] Example 3

[00118] Массив синих лазерных диодов с пространством между каждым из коллимированных пучков на быстрой оси лазерных диодов, которые затем объединяются с периодической пластиной, которая отражает первый(е) лазерный(е) диод(ы) и пропускает второй(ые) лазерный(е) диод(ы) для заполнения пространства между лазерными диодами в направлении наибольшей скорости распространения света первого массива.[00118] An array of blue laser diodes with space between each of the collimated beams on the fast axis of the laser diodes, which are then combined with a periodic plate that reflects the first laser(s) diode(s) and transmits the second laser(s) ) diode(s) to fill the space between the laser diodes in the direction of the highest light velocity of the first array.

[00119] Пример 4[00119] Example 4

[00120] Узорчатое зеркало на стеклянной подложке, которая используется для осуществления заполнения пространства в примере 3.[00120] A patterned mirror on a glass substrate that is used to perform space filling in Example 3.

[00121] Пример 5[00121] Example 5

[00122] Узорчатое зеркало на одной стороне стеклянной подложки для осуществления заполнения пространства в примере 3, и стеклянная подложка имеет достаточную толщину для сдвига вертикальной позиции каждого лазерного диода для заполнения пустого пространства между отдельными лазерными диодами.[00122] A patterned mirror on one side of the glass substrate to effect space filling in Example 3, and the glass substrate is thick enough to shift the vertical position of each laser diode to fill the empty space between the individual laser diodes.

[00123] Пример 6[00123] Example 6

[00124] Ступенчатый теплоотвод, который осуществляет заполнение пространства в примере 3 и является узорчатым зеркалом, как описано в примере 4.[00124] The stepped heat sink that fills the space in Example 3 is a patterned mirror as described in Example 4.

[00125] Пример 7[00125] Example 7

[00126] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, где каждый из отдельных лазеров фиксируются внешним резонатором на отдельную длину волны для существенного увеличения яркости массива до эквивалентной яркости единственного источника в виде лазерного диода.[00126] An array of blue laser diodes as described in Example 1, where each of the individual lasers is externally locked to a different wavelength to substantially increase the brightness of the array to the equivalent brightness of a single laser diode source.

[00127] Пример 8[00127] Example 8

[00128] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, где отдельные массивы лазерных диодов фиксируются на единую длину волны с использованием внешнего резонатора на основе дифракционной решетки, и все массивы лазерных диодов объединяются в единый пучок с использованием либо узко разнесенных оптических фильтров, либо дифракционных решеток.[00128] A blue laser diode array as described in Example 1, where the individual laser diode arrays are locked to a single wavelength using an external grating-based resonator, and all laser diode arrays are combined into a single beam using either narrowly spaced optical filters, or diffraction gratings.

[00129] Пример 9[00129] Example 9

[00130] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, имеющего сердцевину из чистого плавленого диоксида кремния для создания источника более высокой яркости и фторированную внешнюю сердцевину для канализации синего света накачки.[00130] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, such as an optical fiber having a pure fused silica core to provide a higher brightness source and a fluorinated outer core to channel the blue pump light.

[00131] Пример 10[00131] Example 10

[00132] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, имеющего центральную сердцевину, легированную GeO2, с внешней сердцевиной для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки.[00132] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, for example, an optical fiber having a GeO 2 doped central core with an outer core to produce a higher brightness source, and an outer core that is larger than the central core, to channel blue pump light.

[00133] Пример 11[00133] Example 11

[00134] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, имеющего сердцевину, легированную P2O5, для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки.[00134] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, for example, an optical fiber having a P 2 O 5 doped core to create a source of higher brightness, and an outer core that is larger than central core, for channeling blue pump light.

[00135] Пример 12[00135] Example 12

[00136] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, имеющего сердцевину с плавным профилем показателя преломления для создания источника более высокой яркости, и внешнюю сердцевину, которая больше, чем центральная сердцевина, для канализации синего света накачки.[00136] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, such as an optical fiber having a core with a smooth refractive index profile to produce a higher brightness source, and an outer core that is larger than the central core , to sewer blue light pumping.

[00137] Пример 13[00137] Example 13

[00138] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину, легированную GeO2, с плавным профилем показателя преломления и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления.[00138] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber having a GeO 2 doped core with a smooth refractive index profile and an outer core with a stepped refractive index profile.

[00139] Пример 14[00139] Example 14

[00140] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину с плавным профилем показателя преломления, легированную P2O5, и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления.[00140] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber having a P 2 O 5 doped smooth index core and a step index outer core.

[00141] Пример 15[00141] Example 15

[00142] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину, легированную GeO2, с плавным профилем показателя преломления.[00142] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber having a GeO 2 doped core with a smooth refractive index profile.

[00143] Пример 16[00143] Example 16

[00144] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки волокна рамановского преобразователя, имеющего сердцевину с плавным профилем показателя преломления, легированную P2O5, и внешнюю сердцевину со ступенчатыми профилем показателя преломления.[00144] An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber having a P 2 O 5 doped smooth index core and a step index outer core.

[00145] Пример 17[00145] Example 17

[00146] Рассматриваются другие варианты осуществления и разновидности варианта осуществления примера 1. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например алмаз, для создания лазерного источника более высокой яркости. На фиг. 13 показаны изображение 1301 и спектр 1302 синего раманово-преобразованного лазерного пучка из кристалла алмаза и сдвиг по длине волны от 450 нм до 478 нм. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например KGW для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например YVO4 для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например Ba(NO3)2, для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, который представляет собой газ высокого давления для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки кристалла, легированного редкоземельным элементом, для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки волокна, легированного редкоземельным элементом, для создания лазерного источника более высокой яркости. Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки внешней сердцевины преобразователя яркости для создания более высокого коэффициента улучшения яркости.[00146] Other embodiments and variations of the embodiment of Example 1 are contemplated. An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as a diamond, to create a higher brightness laser source. In FIG. 13 shows an image 1301 and a spectrum 1302 of a blue Raman-transformed laser beam from a diamond crystal and a wavelength shift from 450 nm to 478 nm. An array of blue laser diodes, as described in example 1, which is used to pump a Raman converter, such as a KGW, to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer such as YVO 4 to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, such as Ba(NO 3 ) 2 , to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, which is a high pressure gas, to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a rare earth doped crystal to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes as described in Example 1, which is used to pump a rare earth doped fiber to create a higher brightness laser source. An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump the outer core of the luminance converter to create a higher luminance enhancement factor.

[00147] Пример 18[00147] Example 18

[00148] Массив раманово-преобразованных лазеров, которые работают на отдельных длинах волны и объединены для создания источника более высокой мощности, при сохранении пространственной яркости исходного источника.[00148] An array of Raman-transformed lasers that operate at separate wavelengths and are combined to create a higher power source while maintaining the spatial brightness of the original source.

[00149] Пример 19[00149] Example 19

[00150] Рамановское волокно с двумя сердцевинами и средство для подавления рамановского сигнала второго порядка в центральной сердцевине высокой яркости с использованием фильтра, волоконной брэгговской дифракционной решетки, различия в числе V для рамановских сигналов первого порядка и второго порядка или различия в потерях на микроизгибах.[00150] Dual-core Raman fiber and means for suppressing a second-order Raman signal in a high-brightness central core using a filter, a fiber Bragg grating, V-number differences for first-order and second-order Raman signals, or differences in microbending loss.

[00151] Пример 20[00151] Example 20

[00152] N лазерных диодов, где N > 1, которые могут индивидуально включаться и отключаться и могут изображаться на подушку порошка для плавления и сплавления порошка в уникальную деталь.[00152] N laser diodes, where N > 1, that can be individually turned on and off and can be imaged onto a powder pad to melt and fuse the powder into a unique piece.

[00153] Пример 21[00153] Example 21

[00154] N массивов лазерных диодов, где N > 1 в примере 1, выходом которого может быть подключенное волокно, и каждое волокно может располагаться линейно или нелинейно для создания адресуемого массива лазерных пучков высокой мощности, которые могут изображаться или фокусироваться на порошок для плавления или сплавления порошка в уникальную форму слой за слоем.[00154] N arrays of laser diodes, where N > 1 in example 1, the output of which can be a connected fiber, and each fiber can be arranged linearly or non-linearly to create an addressable array of high power laser beams that can be imaged or focused on a powder for melting or fusing the powder into a unique shape layer by layer.

[00155] Пример 22[00155] Example 22

[00156] Один или более из массивов лазерных диодов, объединенных через рамановский преобразователь, выходом которого может быть подключенное волокно, и каждое волокно может располагаться линейно или нелинейно для создания адресуемого массива N, где N > 1 лазерных пучков высокой мощности, которые могут изображаться или фокусироваться на порошок для плавления или сплавления порошка в уникальную форму слой за слоем.[00156] One or more arrays of laser diodes coupled via a Raman converter, the output of which may be a connected fiber, and each fiber may be arranged linearly or non-linearly to create an addressable array N, where N > 1 high power laser beams that can be imaged or focus on the powder to melt or fuse the powder into a unique shape layer by layer.

[00157] Пример 23[00157] Example 23

[00158] Система движения x-y, которая может транспортировать N, где N > 1, лазерных источников синего света по порошковой подушке при плавлении и сплавлении порошковой подушки при том, что система доставки порошка располагается позади лазерного источника для обеспечения свежего порошкового слоя позади сплавленного слоя.[00158] An x-y motion system that can transport N, where N > 1, laser blue light sources over the powder pad while melting and fusing the powder pad with the powder delivery system positioned behind the laser source to provide a fresh powder layer behind the fused layer.

[00159] Пример 24[00159] Example 24

[00160] Система движения по оси z, которая может увеличивать/уменьшать высоту детали/порошковой подушки в примере 20 после размещения нового слоя порошка.[00160] A z-axis movement system that can increase/decrease the height of the part/powder pad in Example 20 after placing a new layer of powder.

[00161] Пример 25[00161] Example 25

[00162] Система движения по оси z может увеличивать/уменьшать высоту детали/порошок в примере 20 после сплавления порошкового слоя лазерным источником.[00162] The z-axis movement system can increase/decrease the height of the part/powder in Example 20 after the powder layer is fused by the laser source.

[00163] Пример 26[00163] Example 26

[00164] Способность к двунаправленному размещению порошка в примере 20, где порошок располагается непосредственно позади лазерного(ых) пятна(ен), когда он распространяется в положительном направлении оси x или отрицательном направлении оси x.[00164] The bi-directional powder placement capability of Example 20 where the powder is positioned directly behind the laser spot(s) as it propagates in the positive x-axis direction or the negative x-axis direction.

[00165] Пример 27[00165] Example 27

[00166] Способность к двунаправленному размещению порошка в примере 20, где порошок располагается непосредственно позади лазерного(ых) пятна(ен), когда он распространяется в положительном направлении оси y или отрицательном направлении оси y.[00166] The bi-directional powder placement capability of Example 20 where the powder is positioned directly behind the laser(s) spot(s) as it propagates in the positive y-axis direction or the negative y-axis direction.

[00167] Пример 28[00167] Example 28

[00168] Система подачи порошка, коаксиальная с N лазерными пучками, где N > 1.[00168] Powder delivery system, coaxial with N laser beams, where N > 1.

[00169] Пример 29[00169] Example 29

[00170] Система подачи порошка, где порошок подается самотеком.[00170] A powder feeding system where the powder is fed by gravity.

[00171] Пример 30[00171] Example 30

[00172] Система подачи порошка, где порошок увлекается потоком инертного газа.[00172] A powder supply system where the powder is entrained in an inert gas flow.

[00173] Пример 31[00173] Example 31

[00174] Система подачи порошка, поперечная N лазерным пучкам, где N > 1, и порошок располагается под действием силы тяжести непосредственно перед лазерными пучками.[00174] The powder supply system is transverse to the N laser beams, where N > 1, and the powder is positioned by gravity directly in front of the laser beams.

[00175] Пример 32[00175] Example 32

[00176] Система подачи порошка, поперечная N лазерным пучкам, где N > 1, и порошок увлекается потоком инертного газа, который пересекает лазерные пучки.[00176] The powder supply system is transverse to N laser beams, where N > 1, and the powder is entrained by an inert gas flow that crosses the laser beams.

[00177] Пример 33[00177] Example 33

[00178] Система генерации второй гармоники, которая использует выход рамановского преобразователя, например, на 460 нм для генерации света на половине длины волны исходного лазера или 230 нм, которая состоит из внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, например KTP, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00178] A second harmonic generation system that uses the output of a Raman converter, such as at 460 nm, to generate light at half the wavelength of the original laser, or 230 nm, which consists of an externally resonant frequency doubling crystal, such as KTP, but does not allow low light wavelength to propagate through the optical fiber.

[00179] Пример 34[00179] Example 34

[00180] Система генерации третьей гармоники, которая использует выход рамановского преобразователя, например, на 460 нм для генерации света на 115 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00180] A third harmonic generation system that uses the output of a Raman converter at, for example, 460 nm to generate light at 115 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber.

[00181] Пример 35[00181] Example 35

[00182] Система генерации четвертой гармоники, которая использует выход рамановского преобразователя, например, на 460 нм для генерации света на 57,5 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00182] A fourth harmonic generation system that uses the output of a Raman converter at, for example, 460 nm to generate light at 57.5 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow short wavelength light to propagate through the optical fiber.

[00183] Пример 36[00183] Example 36

[00184] Система генерации второй гармоники, которая использует выход преобразователя яркости, легированного редкоземельным элементом, например тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм для генерации света на половине длины волны исходного лазера или 236,5 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00184] A second harmonic generation system that uses the output of a rare earth-doped luminance converter, such as thulium, that generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes to generate light at half the wavelength of the original laser, or 236.5 nm using an externally resonant frequency doubling crystal, but does not allow small wavelength light to propagate through the optical fiber.

[00185] Пример 37[00185] Example 37

[00186] Система генерации третьей гармоники, которая использует выход преобразователя яркости, легированного редкоземельным элементом, например тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм для генерации света на 118,25 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00186] A third harmonic generation system that uses the output of a rare earth doped luminance converter such as thulium that generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes to generate light at 118.25 nm using external resonant frequency doubling crystal, but does not allow small wavelength light to propagate through the optical fiber.

[00187] Пример 38[00187] Example 38

[00188] Система генерации четвертой гармоники, которая использует выход преобразователя яркости, легированного редкоземельным элементом, например тулием, который генерирует когерентное излучение на 473 нм при накачке массивом синих лазерных диодов на 450 нм для генерации света на 59,1 нм с использованием внешне-резонансного кристалла удвоения частоты, но не позволяет свету малой длины волны распространяться через оптическое волокно.[00188] A fourth harmonic generation system that uses the output of a rare earth-doped luminance converter such as thulium that generates coherent radiation at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes to generate light at 59.1 nm using external resonant frequency doubling crystal, but does not allow small wavelength light to propagate through the optical fiber.

[00189] Пример 39[00189] Example 39

[00190] Все остальные волокна и кристаллы, легированные редкоземельным элементом, которые могут накачиваться источником высокой мощности 450 нм для генерации видимого или близкого к видимому выхода, могут использоваться в примерах 34-38.[00190] All other rare earth doped fibers and crystals that can be pumped with a 450 nm high power source to generate a visible or near visible output can be used in Examples 34-38.

[00191] Пример 40[00191] Example 40

[00192] Запуск видимого света высокой мощности в некруглую внешнюю сердцевину или оболочку для накачки внутренней сердцевины волокна с сердцевиной либо рамановской, либо легированной редкоземельным элементом.[00192] Launching high power visible light into a non-circular outer core or cladding to pump the inner core of either a Raman or rare earth doped fiber.

[00193] Пример 41[00193] Example 41

[00194] Использование волокна поддержания поляризации для повышения коэффициента усиления рамановского волокна путем выравнивания поляризации накачки с поляризацией рамановского генератора.[00194] Using a polarization maintenance fiber to increase the gain of a Raman fiber by aligning the pump polarization with that of the Raman oscillator.

[00195] Пример 42[00195] Example 42

[00196] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, которое структурировано для создания источника более высокой яркости конкретной поляризации.[00196] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, that is structured to produce a higher brightness source of a particular polarization.

[00197] Пример 43[00197] Example 43

[00198] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна, которое структурировано для создания источника более высокой яркости конкретной поляризации и поддержания состояния поляризации источника накачки.[00198] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, that is structured to produce a source of higher brightness of a particular polarization and maintain the polarization state of the pump source.

[00199] Пример 44[00199] Example 44

[00200] Массив синих лазерных диодов, как описано в примере 1, который используется для накачки рамановского преобразователя, например, оптического волокна для создания источника более высокой яркости с некруглой внешней сердцевиной, структурированной для повышения эффективности рамановского преобразования.[00200] An array of blue laser diodes, as described in Example 1, which is used to pump a Raman converter, such as an optical fiber, to create a higher brightness source with a non-circular outer core structured to increase the efficiency of the Raman transform.

[00201] Пример 45[00201] Example 45

[00202] Варианты осуществления примеров 1-44 также могут включать в себя один или более из следующих компонентов или сборок: устройства для выравнивания порошка в конце каждого прохода до сканирования лазером по порошковой подушки; устройства для масштабирования выходной мощности лазера путем объединения множественных лазерных модулей низкой мощности через объединитель волокна для создания выходного пучка более высокой мощности; устройства для масштабирования выходной мощности синего лазерного модуля путем объединения множественных лазерных модулей низкой мощности через пустое пространство для создания выходного пучка более высокой мощности; устройства для объединения множественных лазерных модулей на единой опорной плиты со встроенным охлаждением.[00202] Embodiments of Examples 1-44 may also include one or more of the following components or assemblies: devices for leveling the powder at the end of each pass prior to laser scanning of the powder pad; devices for scaling laser output power by combining multiple low power laser modules through a fiber combiner to create a higher power output beam; devices for scaling the output power of the blue laser module by combining multiple low power laser modules through empty space to create a higher power output beam; devices for combining multiple laser modules on a single base plate with built-in cooling.

[00203] Заметим, что не существует требования к обеспечению или адресации теории, лежащей в основе новой и новаторской характеристики или других полезных признаков и свойств, которые являются субъектом вариантов осуществления настоящего изобретения или связаны с ними. Тем не менее, в этом описании изобретения обеспечиваются различные теории для дополнительного развития техники в этой важной области и, в частности, в важной области лазеров, лазерной обработки и лазерных применений. Эти теории предложены в этом описании изобретения, и если в явном виде не указано обратное, никоим образом не ограничивают и не сужают объем защиты, предоставленной заявленному изобретению. Эти теории могут не требоваться или не применяться на практике для использования настоящего изобретения. Также следует понимать, что настоящее изобретение может приводить к новым, доселе неизвестным теориям, объясняющим работу, функцию и признаки вариантов осуществления способов, изделий, материалов, устройств и системы настоящего изобретения; и такие позже разработанные теории не должны ограничивать объем защиты, предоставленной настоящему изобретению.[00203] Note that there is no requirement to provide or address the theory behind the new and innovative feature or other useful features and properties that are the subject of or associated with the embodiments of the present invention. However, various theories are provided in this specification for further advances in the art in this important area, and in particular in the important area of lasers, laser processing, and laser applications. These theories are proposed in this specification, and unless expressly stated to the contrary, do not in any way limit or limit the scope of protection afforded to the claimed invention. These theories may not be required or practiced in order to use the present invention. It should also be understood that the present invention may lead to new, hitherto unknown theories explaining the operation, function and features of embodiments of the methods, products, materials, devices and systems of the present invention; and such later developed theories should not limit the scope of the protection afforded by the present invention.

[00204] Следует понимать, что использование заголовков в этом описании изобретения служит целям наглядности, но никоим образом не ограничения. Таким образом, процессы и раскрытия, описанные под заголовком, следует рассматривать во всей полноте этого описания изобретения, включающего в себя различные примеры. Использование заголовков в этом описании изобретения не должно ограничивать объем защиты, предоставленной настоящему изобретению.[00204] It should be understood that the use of headings in this specification is for illustrative purposes and is in no way limiting. Thus, the processes and disclosures described under the heading are to be read in their entirety in this specification, which includes various examples. The use of headings in this specification is not to limit the scope of the protection afforded by the present invention.

[00205] Различные варианты осуществления лазеров, диодов, массивов, модулей, сборок, действий и операций, изложенных в этом описании изобретения, могут использоваться в вышеуказанных областях и в различных других областях. Помимо прочих, варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться со способами, устройствами и системой, представленными в патентных заявках №№. WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180 и 2017/0341144, раскрытие каждой из которых полностью включено в данное описание в порядке ссылки. Дополнительно, эти варианты осуществления, например, могут использоваться с: существующими лазерами, системами аддитивного производства, операциями и действиями, а также другим существующим оборудованием; будущими лазерами, операциями и действиями систем аддитивного производства; и такими предметами, которые можно модифицировать, частично, на основе принципов этого описания изобретения. Дополнительно, различные варианты осуществления, изложенные в этом описании изобретения, могут использоваться в разнообразных комбинациях друг с другом. Таким образом, например, конфигурации, обеспеченные в различных вариантах осуществления этого описания изобретения могут использоваться друг с другом. Например, компоненты варианта осуществления, имеющего A, A’ и B, и компоненты варианта осуществления, имеющего A’’, C и D, могут использоваться друг с другом в различных комбинациях, например, A, C, D и A, A’’ C и D, и т.д., в соответствии с принципами этого описания изобретения. Таким образом, объем защиты, предоставленной настоящему изобретению, не подлежит ограничению конкретным вариантом осуществления, конфигурацией или компоновкой, представленной в конкретном варианте осуществления, пример, или согласно варианту осуществления на конкретной фигуре.[00205] Various embodiments of the lasers, diodes, arrays, modules, assemblies, acts, and operations set forth in this specification may be used in the above areas and in various other areas. Among others, embodiments of the present invention can be used with the methods, devices, and system presented in Patent Applications Nos. WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180 and 2017/0341144, the disclosure of each of which is hereby incorporated by reference in its entirety. Additionally, these embodiments, for example, can be used with: existing lasers, additive manufacturing systems, operations and activities, and other existing equipment; future lasers, operations and activities of additive manufacturing systems; and such items that can be modified, in part, based on the principles of this specification. Additionally, the various embodiments set forth in this specification may be used in a variety of combinations with each other. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments of this specification can be used with each other. For example, components of an embodiment having A, A' and B and components of an embodiment having A'', C and D can be used with each other in various combinations, for example, A, C, D and A, A'' C and D, etc., in accordance with the principles of this specification. Thus, the scope of protection provided by the present invention is not to be limited to a specific embodiment, configuration or arrangement presented in a specific embodiment, example, or according to an embodiment in a specific figure.

[00206] Изобретение можно реализовать в других формах, отличающихся от конкретно раскрытых здесь, не выходя за рамки его сущности или важных характеристик. Описанные варианты осуществления подлежат рассмотрению во всех отношениях только как иллюстративные и не ограничительные.[00206] The invention may be embodied in other forms other than those specifically disclosed herein without departing from its spirit or important characteristics. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.

Claims (86)

1. Система аддитивного производства, содержащая источник света, выполненная с возможностью обеспечения многопятенного 1-D изображения, многопятенного 2-D изображения или обоих на порошковой подушке; 1. An additive manufacturing system comprising a light source configured to provide a multi-spot 1-D image, a multi-spot 2-D image, or both on a powder bed; причем система содержит: источник света, находящийся в оптической связи с массивом оптических волокон для передачи многопятенного изображения; причем массив оптических волокон находится в оптической связи с оптикой повторного формирования изображения; причем оптика повторного формирования изображения выполнена с возможностью повторного формирования многопятенного изображения на порошковой подушке;wherein the system comprises: a light source in optical communication with an array of optical fibers for transmitting a multi-spot image; wherein the array of optical fibers is in optical communication with the imaging optics; the re-imaging optics being configured to re-image the multi-spot image on the powder pad; причем источник света обеспечивает плотность мощности для сплавления и наращивания детали из порошка.wherein the light source provides the power density for fusing and building up the powder part. 2. Система по п. 1, в которой источник света содержит массив волокон, подающих свет от массива волоконных рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.2. The system of claim. 1, in which the light source contains an array of fibers supplying light from an array of fiber Raman lasers operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm. 3. Система по п. 1, в которой источник света содержит массив лазерных диодов, действующих в диапазоне длины волны от около 400 нм до около 500 нм.3. The system of claim. 1, in which the light source contains an array of laser diodes operating in the wavelength range from about 400 nm to about 500 nm. 4. Система по п. 1, в которой источник света содержит массив оптических волокон, подключенных к лазерным диодам, действующим в диапазоне длины волны от около 400 нм до около 500 нм.4. The system of claim. 1, in which the light source contains an array of optical fibers connected to laser diodes operating in the wavelength range from about 400 nm to about 500 nm. 5. Система по любому из пп. 1-4, в которой источник света содержит массив оптических волокон, имеющих диаметры, выбранные из группы, состоящей из 10-50 мкм, 50-100 мкм и 100-500 мкм.5. The system according to any one of paragraphs. 1-4, wherein the light source comprises an array of optical fibers having diameters selected from the group consisting of 10-50 µm, 50-100 µm and 100-500 µm. 6. Система по п. 1, в которой источник света представляет собой единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая является одной из 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.6. The system of claim. 1, in which the light source is a single bundle of separate optical fibers connected to separate light sources, which is re-imaged by optics, which is one of 1:0.5, 1:1, 1:2 up to up to 1:10 inclusive. 7. Система по п. 1, в которой источник света представляет собой жгут волокон, установленный в едином QBH-соединителе.7. The system of claim. 1, in which the light source is a bundle of fibers installed in a single QBH connector. 8. Система по п. 1, в которой источник света является независимо установленными отдельными волокнами.8. The system of claim. 1, in which the light source is independently installed individual fibers. 9. Система по п. 1 или 6, дополнительно содержащая камеру теплового формирования изображения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.9. The system according to claim 1 or 6, further comprising a thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing a feedback signal to the microprocessor, which regulates the power of each spot and, thus, the quality of the build-up of the part from spot to stain. 10. Система по п. 1 или 6, дополнительно содержащая массив пирометров для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.10. The system according to claim 1 or 6, further comprising an array of pyrometers for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing a feedback signal to the microprocessor, which regulates the power of each spot and, thus, the quality of the build-up of the part from spot to spot. 11. Система по п. 1, причем источник света представляет собой печатающую головку, состоящую из массива источников света, которая установлена на портальной системе x-y для переноса 1-D или 2-D изображения по поверхности порошковой подушки.11. The system of claim 1, wherein the light source is a printhead consisting of an array of light sources that is mounted on an x-y gantry to transfer a 1-D or 2-D image across the surface of the powder pad. 12. Система по п. 1, в которой используется самотечная система доставки порошка, которая действует в обоих направлениях.12. The system of claim. 1, which uses a gravity powder delivery system that operates in both directions. 13. Система по п. 1, которая включает в себя вращающееся колесо, движущееся противоположно направлению перемещения бункера, для сжатия и уплотнения порошка для снижения пористости порошковой подушки.13. The system of claim. 1, which includes a rotating wheel, moving opposite to the direction of movement of the hopper, to compress and compact the powder to reduce the porosity of the powder bed. 14. Система по п. 1, в которой источник света является лазерным источником синего света для сплавления медных порошков.14. The system of claim. 1, wherein the light source is a laser blue light source for alloying copper powders. 15. Система по п. 1, в которой источник света является лазерным источником синего света для сплавления золотых порошков.15. The system of claim 1 wherein the light source is a blue laser light source for melting gold powders. 16. Система по п. 1, в которой источник света является лазерным источником синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.16. The system of claim. 1, in which the light source is a blue laser light source for optimal fusion of aluminum powders. 17. Система по п. 1, в которой источник света является лазерным источником синего света для сплавления всех металлов и сплавов металлов.17. The system of claim 1 wherein the light source is a laser blue light source for fusing all metals and metal alloys. 18. Система по п. 11, дополнительно содержащая оптическую систему камеры теплового формирования изображения, причем печатающая головка объединяет оптическую систему с системой камеры теплового формирования изображения для повторного формирования изображения и регулировки температуры порошка в областях, открытых массиву волокон или изображению массива диодов.18. The system of claim 11 further comprising a thermal imaging camera optics system, wherein the printhead combines the optics with the thermal imaging camera system to reimage and adjust the powder temperature in areas exposed to the fiber array or diode array image. 19. Система по п. 11, в которой печатающая головка дополнительно содержит оптическую систему, содержащую коллиматор, который является одной из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, пары дублетных или триплетных линз, и фокусирующую оптику, состоящую из одной из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, здесь источник отстоит на 1f от коллимирующей линзы и на 1f от фокусирующей линзы.19. The system of claim. 11, in which the print head further comprises an optical system containing a collimator, which is one of a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a pair of doublet or triplet lenses, and a focusing optics, consisting of one of plano-convex -convex lens, plano-convex aspherical lens, here the source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens. 20. Система по п. 11, в которой печатающая головка дополнительно содержит оптическую систему, содержащую источник и линзу, причем оптическая система печатающей головки является оптикой повторного формирования изображения с источником, находящимся на по меньшей мере 2f от линзы, и изображение находится в по меньшей мере 2f от линзы в противоположном направлении.20. The system of claim 11, wherein the printhead further comprises an optical system comprising a source and a lens, wherein the printhead optical system is a reimaging optic with a source at least 2f from the lens and the image is at least measure 2f away from the lens in the opposite direction. 21. Система по п. 1, дополнительно содержащая поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.21. The system of claim 1, further comprising a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution. 22. Система по п. 1, дополнительно включающая в себя систему оптической когерентной томографии (OCT) для отслеживания сварочного процесса в реальном времени.22. The system of claim. 1, further including an optical coherence tomography (OCT) system for monitoring the welding process in real time. 23. Система по п. 1, дополнительно содержащая печатающую головку, причем печатающая головка содержит оптическую систему, содержащую коллиматор, который является одной из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, пары дублетных или триплетных линз, и фокусирующую оптику, состоящую из одной из плоско-выпуклой линзы, плоско-выпуклой асферической линзы, здесь источник отстоит на 1f от коллимирующей линзы и на 1f от фокусирующей линзы.23. The system of claim. 1, further comprising a print head, and the print head includes an optical system containing a collimator, which is one of a plano-convex lens, a plano-convex aspherical lens, a pair of doublet or triplet lenses, and a focusing optics consisting of one of the plano-convex lens, plano-convex aspherical lens, here the source is 1f from the collimating lens and 1f from the focusing lens. 24. Система по п. 23, в которой оптическая система в печатающей головке является оптикой повторного формирования изображения, где источник находится в по меньшей мере 2f от линзы, и изображение находится в по меньшей мере 2f от линзы в противоположном направлении.24. The system of claim 23 wherein the optical system in the printhead is a reimaging optic where the source is at least 2f from the lens and the image is at least 2f from the lens in the opposite direction. 25. Система по п. 1, дополнительно содержащая систему камеры для отслеживания каждого пикселя изображения и обратной передачи сигнала управления в реальном времени на каждый лазер для управления плавлением и сплавлением порошка для оптимизации шероховатости поверхности, пористости и напряжения в полученной детали.25. The system of claim 1, further comprising a camera system for tracking each image pixel and feed back a real-time control signal to each laser to control the melting and fusing of the powder to optimize surface roughness, porosity and stress in the resulting part. 26. Система по п. 25, в которой сигнал управления содержит сигнал, пропорциональный температуре порошковой подушки.26. The system of claim 25, wherein the control signal comprises a signal proportional to the temperature of the powder bed. 27. Система по п. 25, в которой сигнал управления содержит сигнал, пропорциональный температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.27. The system of claim 25, wherein the control signal comprises a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad. 28. Система аддитивного производства на основе массива источников света и вторичного источника света для регулировки температуры области наращивания, которая является 1-D или 2-D изображением на порошковой подушке при обеспечении плотности мощности для сплавления и наращивания детали с системой камеры для отслеживания каждого пикселя изображения и обратной передачи сигнала управления в реальном времени на каждый лазер для управления плавлением и сплавлением порошка для оптимизации шероховатости поверхности, пористости и напряжения в полученной детали;28. An additive manufacturing system based on an array of light sources and a secondary light source to adjust the temperature of the build-up area, which is a 1-D or 2-D image on a powder pad, while providing power density to fuse and grow the part with a camera system to track each image pixel and feed back a real-time control signal to each laser to control powder melting and fusion to optimize surface roughness, porosity and stress in the resulting part; и причем система содержит: источник света, находящийся в оптической связи с массивом оптических волокон для передачи многопятенного изображения; причем массив оптических волокон находится в оптической связи с оптикой повторного формирования изображения.and wherein the system comprises: a light source in optical communication with an array of optical fibers for transmitting a multi-spot image; wherein the array of optical fibers is in optical communication with the reimaging optics. 29. Система по п. 28, в которой массив источников света является массивом рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.29. The system of claim 28 wherein the light source array is an array of Raman lasers operating in the wavelength range of 300 nm to 500 nm. 30. Система по п. 28, в которой массив источников света является массивом лазерных диодов, действующих в диапазоне длины волны 400-500 нм.30. The system of claim 28 wherein the light source array is an array of laser diodes operating in the 400-500 nm wavelength range. 31. Система по п. 28, в которой массив источников света является массивом оптических волокон, подключенных к лазерным диодам, действующим в диапазоне длины волны 400-500 нм.31. The system of claim. 28, in which the array of light sources is an array of optical fibers connected to laser diodes operating in the wavelength range of 400-500 nm. 32. Система по п. 28, в которой массив источников света является массивом оптических волокон диаметрами в пределах 10-50 мкм, 50-100 мкм или 100-500 мкм.32. The system of claim 28, wherein the light source array is an array of optical fibers with diameters ranging from 10-50 µm, 50-100 µm, or 100-500 µm. 33. Система по п. 28, в которой массив источников света представляет собой единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая является одной из 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.33. The system of claim 28, wherein the light source array is a single bundle of individual optical fibers connected to individual light sources, which is re-imaged by an optic that is one of 1:0.5, 1:1, 1:2 up to and including 1:10. 34. Система по п. 28, в которой массив источников света представляет собой жгут волокон, установленный в едином QBH-соединителе.34. The system of claim 28, wherein the light source array is a bundle of fibers installed in a single QBH connector. 35. Система по п. 28, в которой массив источников света является независимо установленными отдельными волокнами. 35. The system of claim 28, wherein the array of light sources are independently mounted individual fibers. 36. Система по п. 28, в которой вторичный источник света является рамановским лазером, действующим в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.36. The system of claim. 28, in which the secondary light source is a Raman laser operating in the wavelength range from 300 nm to 500 nm. 37. Система по п. 28, в которой вторичный источник света является системой лазерных диодов, действующей в диапазоне длины волны 400-500 нм.37. The system of claim 28 wherein the secondary light source is a laser diode system operating in the 400-500 nm wavelength range. 38. Система по п. 28, в которой вторичный источник света изображается на ту же область, куда изображается 1-D или 2-D рисунок.38. The system of claim. 28, in which the secondary light source is displayed on the same area where the 1-D or 2-D pattern is displayed. 39. Система по п. 28, в которой температура порошка, облучаемого вторичным источником света, измеряется камерой теплового формирования изображения, и сигнал от камеры используется для регулировки температуры освещенной зоны.39. The system of claim 28, wherein the temperature of the powder irradiated by the secondary light source is measured by a thermal imaging camera, and the signal from the camera is used to adjust the temperature of the illuminated area. 40. Система по п. 28, в которой температура порошка, облучаемого вторичным источником света, измеряется пирометром, и сигнал от пирометра используется для регулировки температуры освещенной зоны.40. The system of claim 28 wherein the temperature of the powder irradiated by the secondary light source is measured by a pyrometer and the signal from the pyrometer is used to adjust the temperature of the illuminated area. 41. Система по п. 28, в которой камера является камерой теплового формирования изображения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.41. The system of claim 28, wherein the camera is a thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot. stain. 42. Система по п. 28, в которой камера является массивом пирометров для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.42. The system of claim 28, wherein the chamber is an array of pyrometers for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot. 43. Система по п. 28, в которой массив источников света составляет печатающую головку, которая установлена на портальной системе x-y для переноса 1-D или 2-D изображения по поверхности порошковой подушки.43. The system of claim 28, wherein the array of light sources constitutes a printhead that is mounted on an x-y gantry to transfer a 1-D or 2-D image across the surface of the powder pad. 44. Система по п. 28, дополнительно содержащая самотечную систему доставки порошка, которая действует в обоих направлениях.44. The system of claim 28, further comprising a gravity-fed powder delivery system that operates in both directions. 45. Система по п. 28, дополнительно содержащая поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.45. The system of claim 28, further comprising a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution. 46. Система по п. 28, дополнительно включающая в себя вращающееся колесо, движущееся противоположно направлению перемещения бункера, для сжатия и уплотнения порошка для снижения пористости порошковой подушки.46. The system of claim. 28, further including a rotating wheel moving opposite to the direction of travel of the hopper for compressing and compacting the powder to reduce the porosity of the powder bed. 47. Система по п. 28, в которой сигнал управления является сигналом, пропорциональным температуре порошковой подушки.47. The system of claim 28 wherein the control signal is a signal proportional to the temperature of the powder bed. 48. Система по п. 28, в которой сигнал управления является сигналом, пропорциональным температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.48. The system of claim 28, wherein the control signal is a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad. 49. Система по п. 28, в которой используется лазерный источник синего света для сплавления медных порошков.49. The system of claim 28, which uses a laser blue light source to fuse copper powders. 50. Система по п. 28, в которой используется лазерный источник синего света для сплавления золотых порошков.50. The system of claim 28, which uses a laser blue light source to fuse gold powders. 51. Система по п. 28, в которой используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.51. The system of claim 28, which uses a laser blue light source to optimally fuse aluminum powders. 52. Система по п. 28, в которой используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления всех остальных металлов и сплавов металлов.52. The system of claim 28, which uses a laser blue light source to optimally fuse all other metals and metal alloys. 53. Система по п. 28, дополнительно включающая в себя систему оптической когерентной томографии (OCT) для отслеживания сварочного процесса в реальном времени.53. The system of claim. 28, further including an optical coherence tomography (OCT) system for tracking the welding process in real time. 54. Система аддитивного производства на основе массива источников света и массива вторичных источников света для регулировки температуры области наращивания, которая является 1-D или 2-D изображением на порошковой подушке при обеспечении плотности мощности для сплавления и наращивания детали с системой камеры для отслеживания каждого пикселя изображения и обратной передачи сигнала управления в реальном времени на каждый лазер для управления плавлением и сплавлением порошка для оптимизации шероховатости поверхности, пористости и напряжения в полученной детали;54. An additive manufacturing system based on an array of light sources and an array of secondary light sources to adjust the temperature of the build-up area, which is a 1-D or 2-D image on a powder pad, while providing power density to fuse and grow the part with a camera system to track each pixel image and real-time control signal feedback to each laser to control powder melting and fusion to optimize surface roughness, porosity and stress in the resulting part; и причем система содержит: источник света, находящийся в оптической связи с массивом оптических волокон для передачи многопятенного изображения; причем массив оптических волокон находится в оптической связи с оптикой повторного формирования изображения.and wherein the system comprises: a light source in optical communication with an array of optical fibers for transmitting a multi-spot image; wherein the array of optical fibers is in optical communication with the reimaging optics. 55. Система по п. 54, в котором массив источников света является массивом волокон, подающих свет от массива волоконных рамановских лазеров, действующих в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.55. The system of claim 54, wherein the light source array is an array of fibers supplying light from an array of fiber Raman lasers operating in the wavelength range of 300 nm to 500 nm. 56. Система по п. 54, в которой массив источников света является массивом лазерных диодов, действующих в диапазоне длины волны 400-500 нм.56. The system of claim 54 wherein the light source array is an array of laser diodes operating in the 400-500 nm wavelength range. 57. Система по п. 54, в которой массив источников света является массивом оптических волокон, подключенных к лазерным диодам, действующим в диапазоне длины волны 400-500 нм.57. The system of claim 54, wherein the light source array is an array of optical fibers connected to laser diodes operating in the 400-500 nm wavelength range. 58. Система по п. 54, в которой массив источников света является массивом оптических волокон диаметрами в пределах 10-50 мкм, 50-100 мкм или 100-500 мкм.58. The system of claim 54, wherein the light source array is an array of optical fibers with diameters ranging from 10-50 microns, 50-100 microns, or 100-500 microns. 59. Система по п. 54, в которой массив источников света представляет собой единый жгут из отдельных оптических волокон, подключенных к отдельным источникам света, который повторно изображается оптикой, которая является одной из 1:0,5, 1:1, 1:2 вплоть до 1:10 включительно.59. The system of claim 54, wherein the light source array is a single bundle of separate optical fibers connected to separate light sources, which is re-imaged by an optic that is one of 1:0.5, 1:1, 1:2 up to and including 1:10. 60. Система по п. 54, в которой массив источников света представляет собой жгут волокон, установленный в едином QBH-соединителе.60. The system of claim 54, wherein the light source array is a bundle of fibers installed in a single QBH connector. 61. Система по п. 54, в которой массив источников света является независимо установленными отдельными волокнами.61. The system of claim 54, wherein the array of light sources are independently mounted individual fibers. 62. Система по п. 54, в которой массив вторичных источников света является волоконным рамановским лазером, действующим в диапазоне длины волны от 300 нм до 500 нм.62. The system of claim 54, wherein the secondary light source array is a fiber Raman laser operating in the wavelength range of 300 nm to 500 nm. 63. Система по п. 54, в которой массив вторичных источников света является системой лазерных диодов, действующей в диапазоне длины волны 400-500 нм.63. The system of claim 54, wherein the secondary light source array is a laser diode system operating in the 400-500 nm wavelength range. 64. Система по п. 54, в которой массив вторичных источников света изображается на ту же область, куда изображается 1-D или 2-D рисунок.64. The system of claim 54 wherein the array of secondary light sources is drawn onto the same area where the 1-D or 2-D pattern is drawn. 65. Система по п. 54, дополнительно содержащая камеру теплового формирования изображения, причем температура порошка, облучаемого массивом вторичных источников света, измеряется камерой теплового формирования изображения, и сигнал от камеры используется для регулировки температуры освещенной зоны.65. The system of claim 54, further comprising a thermal imaging camera, wherein the temperature of the powder irradiated by the array of secondary light sources is measured by the thermal imaging camera, and the signal from the camera is used to adjust the temperature of the illuminated area. 66. Система по п. 54, в которой температура порошка, облучаемого массивом вторичных источников света, измеряется пирометром, и сигнал от пирометра используется для регулировки температуры освещенной зоны.66. The system of claim 54 wherein the temperature of the powder irradiated by the array of secondary light sources is measured by a pyrometer and the signal from the pyrometer is used to adjust the temperature of the illuminated area. 67. Система по п. 54, в которой камера является камерой теплового формирования изображения для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.67. The system of claim 54, wherein the camera is a thermal imaging camera for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot. stain. 68. Система по п. 54, в которой камера является массивом пирометров для непосредственного отслеживания температуры в каждом пятне в ходе работы и обеспечения сигнала обратной связи на микропроцессор, который регулирует мощность каждого пятна и, таким образом, качество наращивания детали от пятна к пятну.68. The system of claim 54, wherein the camera is an array of pyrometers for directly monitoring the temperature in each spot during operation and providing feedback to a microprocessor that controls the power of each spot and thus the build quality of the part from spot to spot. 69. Система по п. 54, в которой массив источников света составляет печатающую головку, которая установлена на портальной системе x-y для переноса 1-D или 2-D изображения по поверхности порошковой подушки.69. The system of claim 54, wherein the array of light sources constitutes a printhead that is mounted on an x-y gantry to transfer a 1-D or 2-D image across the surface of the powder pad. 70. Система по п. 54, дополнительно содержащая самотечную систему доставки порошка, которая действует в обоих направлениях.70. The system of claim 54, further comprising a gravity-fed powder delivery system that operates in both directions. 71. Система по п. 54, дополнительно содержащая поршень для доставки порошка в подушку принтера для перераспределения.71. The system of claim 54, further comprising a piston for delivering the powder to the printer pad for redistribution. 72. Система по п. 54, дополнительно содержащая вращающееся колесо, движущееся противоположно направлению перемещения бункера, для сжатия и уплотнения порошка для снижения пористости порошковой подушки.72. The system of claim. 54, further comprising a rotating wheel moving opposite to the direction of movement of the hopper for compressing and compacting the powder to reduce the porosity of the powder bed. 73. Система по п. 54, в которой сигнал управления является сигналом, пропорциональным температуре порошковой подушки.73. The system of claim 54, wherein the control signal is a signal proportional to the temperature of the powder bed. 74. Система по п. 54, в которой сигнал управления является сигналом, пропорциональным температуре ванночки расплава, создаваемой в каждой точке 1-D или 2-D изображения на порошковой подушке.74. The system of claim 54, wherein the control signal is a signal proportional to the temperature of the melt pool generated at each point of the 1-D or 2-D image on the powder pad. 75. Система по п. 54, в которой используется лазерный источник синего света для сплавления медных порошков.75. The system of claim 54, which uses a laser blue light source to fuse copper powders. 76. Система по п. 54, в которой используется лазерный источник синего света для сплавления золотых порошков.76. The system of claim 54, which uses a laser blue light source to fuse gold powders. 77. Система по п. 54, в которой используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления алюминиевых порошков.77. The system of claim 54, which uses a laser blue light source to optimally fuse aluminum powders. 78. Система по п. 54, в которой используется лазерный источник синего света для оптимального сплавления всех остальных металлов и сплавов металлов.78. The system of claim 54, which uses a laser blue light source to optimally fuse all other metals and metal alloys. 79. Система по п. 54, в которой печатающая головка устанавливается с дополнительными аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для параллельной печати изображений.79. The system of claim. 54, in which the print head is installed with additional similar print heads on one or more portals for parallel printing of images. 80. Система по п. 54, в которой печатающая головка устанавливается с дополнительными аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для печати изображения, которое является участком детали.80. The system of claim. 54, in which the print head is installed with additional similar print heads on one or more portals to print an image that is a part of the part. 81. Система по п. 54, в которой печатающая головка устанавливается с дополнительными аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах, и оптическая система печатающей головки используется для объединения изображений из множественных источников для создания непрерывного изображения.81. The system of claim. 54, wherein the print head is mounted with additional similar print heads on one or more portals, and the optical system of the print head is used to combine images from multiple sources to create a continuous image. 82. Система по п. 54, в которой печатающая головка устанавливается с дополнительными аналогичными печатающими головками на одном или нескольких порталах для печати изображения в шахматном порядке, которые объединяются друг с другом путем последовательного шагового переноса промежуточных рисунков.82. The system of claim. 54, in which the print head is installed with additional similar print heads on one or more portals for printing an image in a checkerboard pattern, which are combined with each other by successive step transfer of intermediate patterns.
RU2021108259A 2018-09-01 2019-09-01 Additive manufacturing system with addressable laser array and real-time feedback control for each source RU2793043C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/726,234 2018-09-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021108259A RU2021108259A (en) 2022-10-03
RU2793043C2 true RU2793043C2 (en) 2023-03-28

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101646525A (en) * 2007-04-05 2010-02-10 普莱斯泰克光电子有限公司 Process equipment and the method that is used for materials processing
RU2555281C2 (en) * 2008-12-22 2015-07-10 Недерландсе Органисати Вор Тугепаст-Натюрветенсхаппелейк Ондерзук Тно Method and device for ply-by-ply making of 3d article
US20160038655A1 (en) * 2014-08-10 2016-02-11 Louisiana Tech University Research Foundation; a Div. of Louisiana Tech University Foundation Inc. Methods and Devices For Three-Dimensional Printing Or Additive Manufacturing Of Bioactive Medical Devices
US20160158889A1 (en) * 2013-12-16 2016-06-09 General Electric Company Control of solidification in laser powder bed fusion additive manufacturing using a diode laser fiber array
US20180217409A1 (en) * 2016-09-29 2018-08-02 Nlight, Inc. Fiber-coupled device for varying beam characteristics

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101646525A (en) * 2007-04-05 2010-02-10 普莱斯泰克光电子有限公司 Process equipment and the method that is used for materials processing
RU2555281C2 (en) * 2008-12-22 2015-07-10 Недерландсе Органисати Вор Тугепаст-Натюрветенсхаппелейк Ондерзук Тно Method and device for ply-by-ply making of 3d article
US20160158889A1 (en) * 2013-12-16 2016-06-09 General Electric Company Control of solidification in laser powder bed fusion additive manufacturing using a diode laser fiber array
US20160038655A1 (en) * 2014-08-10 2016-02-11 Louisiana Tech University Research Foundation; a Div. of Louisiana Tech University Foundation Inc. Methods and Devices For Three-Dimensional Printing Or Additive Manufacturing Of Bioactive Medical Devices
US20180217409A1 (en) * 2016-09-29 2018-08-02 Nlight, Inc. Fiber-coupled device for varying beam characteristics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200086388A1 (en) Additive Manufacturing System with Addressable Array of Lasers and Real Time Feedback Control of each Source
US11811196B2 (en) Applications, methods and systems for a laser deliver addressable array
CN112955303B (en) Additive manufacturing system with addressable laser array and source real-time feedback control
US11780030B2 (en) Additive manufacture in metals with a fiber array laser source and adaptive multi-beam shaping
US11718568B2 (en) Additive manufacturing, bond modifying system and method
JP7413424B2 (en) Applications, methods, and systems for material processing using visible Raman lasers
CN107851970B (en) Applications, methods and systems for laser-transmissive addressable arrays
JP2020519491A (en) Solid-state routing of patterned light for additive manufacturing optimization
US20210229215A1 (en) Laser beam scanner
RU2793043C2 (en) Additive manufacturing system with addressable laser array and real-time feedback control for each source
CN112764163A (en) Fusion welding device and method for array optical fiber and large-size quartz end cap
KR101994102B1 (en) Apparatus for Manufacturing Optical Fiber Array Block for Laser
CN118144270A (en) Optical scanning system and additive manufacturing apparatus