CN113226628B - 蓝色激光金属增材制造系统 - Google Patents

Abstract

基于并行打印方法使用空间光调制器的高分辨率增材制造系统。在激光束路径中使用DMD的用于增材制造的方法和系统。使用预热激光束与沿构建激光束路径具有DMD的构建激光束结合。

Description

蓝色激光金属增材制造系统

本申请：(i)根据美国法典第35卷第119节(e)(1)要求2018年8月24日递交的、序列号为62/722,198的美国临时申请的申请日权益和优先权权益；以及(ii)根据美国法典第35卷第119节(e)(1)要求2018年9月1日递交的、序列号为62/726,233的美国临时申请的申请日权益和优先权权益，每个申请的全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及材料的激光加工，特别是材料的激光构建，其包括使用波长从约350nm至约700nm的激光束的激光增材制造工艺。

背景技术

基于红外线(IR)(例如，具有大于700nm的波长，特别是具有大于1,000nm的波长)的增材制造系统存在有两个缺点(除了其他方面)，这限制了构建体积和构建速度。在这些红外系统中，构建体积受到扫描系统的有限尺寸所限制，还受到对于给定焦距准直器和平场聚焦镜(F-theta lens)能够创建的光斑所限制。例如，在这种现有红外系统中，当使用14mm焦距准直器和500mm F-theta焦距透镜时，对于受衍射限制的IR激光束，光斑尺寸为350μm的数量级。这在约85mm x 85mm的构建原料(例如粉末床)上提供了可寻址足迹，这反过来在对给定分辨率(例如光斑尺寸)的构建体积创建或建立了有限限制。对IR激光系统构建速度的第二个限制是材料对激光束的吸收。最初，大多数构建原料对红外光谱中的波长具有中等至低的反射率，因为加性制造开始使用金属，例如金，银，铂，铜和铝及其合金，这些材料具有较高和很高的红外反射率，在红外增材制造中使用这些高反射红外型的构建材料时会遇到问题。因此，将红外激光能量耦合到构建原料(例如粉末床或颗粒)受到了限制，很大一部分能量被反射离开、向后或更深入构建原料中。这些限制以某种方式进一步结合或连接在一起，使红外增材系统的问题和缺陷恶化。因此，红外激光的有限穿透深度决定了最佳的层厚，因此限制了工艺的分辨率。因此，IR激光系统由于对典型构建原料的反射率而具有有限的层厚以及有限的分辨率。

如在此使用的“UV”、“紫外”、“紫外光谱”、“光谱的紫外线部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以其最广泛的含义来理解，并且会包括波长从约10nm到约400nm和从10nm到400nm的光。

如在此使用的术语“可见”、“可见光谱”、“光谱的可见部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以其最广泛的含义来理解，并且会包括波长从约380nm到约750nm和从400nm到700nm的光。

如在此使用的术语“蓝色激光束”、“蓝色激光”以及“蓝色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供(例如传送)激光束或波长从400nm(纳米)到500nm和约400nm到约500nm的光的提供激光束的系统，激光束，激光源(例如激光器和二极管激光器)。蓝色激光包括波长450nm、约450nm、460nm、约460nm。蓝色激光的带宽可从约10pm(皮米)到约10nm，约5nm，约10nm，约20nm，以及更大和更小的值。

如在此使用的术语“绿色激光束”、“绿色激光”以及“绿色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供(例如传送)激光束或波长从500nm到575nm和约500nm到约575nm的光的提供激光束的系统，激光束，激光源(例如激光器和二极管激光器)。绿色激光包括波长515nm、约515nm、532nm、约532nm、550nm、约550nm。绿色激光的带宽可从约10pm到10nm，约5nm，约10nm，约20nm，以及更大和更小的值。

通常，如在此使用的术语“约”和符号“～”，除非另有指明，否则意味着涵盖±10％的方差或范围，涵盖与得到所述值相关的实验或仪器误差，并且优选地涵盖其中较大者。

如在此使用的，除非另有声明，室温为25℃。而且，标准环境温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确声明，所有取决于温度、压力或者二者的试验、试验结果、物理性质和值均为标准环境温度和压力下提供的，包括粘度。

如在此使用的，除非另有声明，在此详述数值范围仅旨在用作分别指代该范围内的每个单独值的简写方法。除非本文中另外指明，否则将范围内的每个单独的值并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述。

通常，当今在增材制造中采用的方法是使用红外激光和电流计以预定图案方式扫描激光束穿过粉末床的表面。IR激光束具有足够的强度以创建穿透型焊接工艺，将液化粉末融合和熔合到下层或基底上。该方法有一些限制，这些限制决定了工艺的速度。例如，使用单个激光束扫描表面，构建速率会受电流计的最大扫描速度(7m/sec)限制。制造商强烈信奉红外技术，通常认为这是唯一可行的波长，因此他们为了克服此局限性而着力于(但是效果有限)通过将两个或多个红外激光/电流计集成到一系统中，两者能在其中一起工作以构建单个部件，或者能独立地工作以并行地构建部件。这些努力旨在提高增材制造系统的生产量，但仅专注于IR，取得的成功有限，无法满足长期以来对改进增材制造的需求。

IR处理中的另一限制的示例是可以由IR激光/电流计系统解决的有限体积。在固定头系统中，构建体积由平场聚焦镜的焦距、电流计的扫描角度、IR激光的波长和红外激光的光束质量来界定。例如，对于衍射受限的红外激光，用500mm平场聚焦镜，IR激光创建50μm级的光斑尺寸。如果激光束运行于100瓦的光功率，则光束的强度大于启动穿透型焊接模式所需的强度。穿透型焊接模式会产生一股汽化材料，必须通过交叉射流将其从激光束路径中清除，否则激光束会被汽化金属散射并吸收。另外，由于穿透模式的焊接依赖于在液态金属表面上产生由汽化金属的蒸气压维持的孔，所以除汽化金属以外的材料能从穿透孔喷射。这种材料称为飞溅，导致熔融材料沉积在构造平面上的其他位置，这能导致最终部件中的缺陷。尽管增材制造系统的制造商在开发快速成型机方面取得了有限的成功，但他们仍无法满足长期以来的需求，无法满足批量生产商业或实际部件所需的要求。在本发明之前，本领域还没有实现为了实现这一点在对部件构图的方法上的突破。

通常，IR处理和系统的问题和失败是要求或需要以穿透型焊接模式熔合粉末。这通常是因为使用单个光束来处理粉末。如果激光束运行于100瓦的光功率，则光束的强度大于启动穿透型焊接模式所需的强度。穿透型焊接模式会产生一股汽化材料，必须通过交叉射流将其从激光束路径中清除，否则激光束会被汽化金属散射并吸收。另外，由于穿透模式的焊接依赖于在液态金属表面上产生由汽化金属的蒸气压维持的孔，所以诸如汽化金属之类的材料能从穿透孔喷射。这种材料称为飞溅，导致熔融材料沉积在构造平面上的其他位置，这能导致最终部件中的缺陷。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratories)使用光学寻址光阀(OALV)的最新工作已尝试解决这些IR限制。OALV是一种高功率空间光调制器，用于使用高功率激光创建光图案。当OALV上的图案是用蓝色LED或来自投影仪的激光源创建时，来自四个激光二极管阵列的输出功率将通过空间光调制器传输，并用于将图像加热到熔点，并需要Q开关IR激光来启动穿透焊接。在穿透型模式中使用IR激光以启动焊接，特别是在熔合铜或铝材料时，通常是这些材料所必需的。这种穿透焊接工艺通常会在部件上产生飞溅、多孔性以及高表面粗糙度。因此，OALV系统和典型的IR系统一样，不能消除构建工艺中穿透启动的不利影响。虽然最好完全避免穿透型焊接步骤，但是现有技术未能克服该问题，并且没有提供该解决方案。发生这种故障的主要原因是，在红外波长下，许多金属的吸收特性非常低，以至于需要高峰值功率激光来启动该工艺。由于OALV仅在光谱的IR区域中透明，因此构建或使用用可见激光源作为高能光源的这类型系统是不可行的。该系统中组件的成本非常高，特别是作为定制单元的OALV。

现有的基于金属的增材制造机器受到局限在于，它们要么是基于将粘合剂喷涂到粉末床中然后在高温下进行固结步骤，要么是基于由电流计系统在高速下扫描粉末床的高功率单模激光束。这两种系统都具有本领域无法克服的重大缺陷。第一种系统能够大规模制造由于固结工艺中部件收缩而公差宽松的部件。第二种工艺的构建速度受到电流计扫描速度的限制，其限制了能使用的最大功率级别的激光并因此限制了构建速度。基于扫描的增材制造系统的制造商已经努力通过具有多个扫描头和激光系统的构建机器来克服这一限制，而这些机器并没有为这些问题提供适当的解决方案。这确实真正提高了生产量，但是标度律是线性的，换句话说，具有两台激光扫描仪的系统制造出的部件数量只是具有一台扫描仪的系统的两倍，或者只是以两倍的速度制造单个部件。因此，亟需一种高产量的、基于激光的金属增材制造系统，该系统不受到当前可用系统的限制。

本发明的背景技术部分旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可与本发明的实施方式相关联。因此，本节中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，不应被视为对现有技术的承认。

发明内容

本发明利用IR增材制造系统和方法解决了这些和其他问题，并解决了这些和其他长期需求以及随着增材制造方法和系统的普及而产生的未来需求。本发明尤其通过提供在此教导和公开的制品、装置和方法解决了这些问题和需求等。

因此，提供了3D系统，该3D系统使用空间光调制器、空间光调制器阵列以及二者，以在粉末床上形成能量图案，要么直接熔合塑料或尼龙材料，要么简单地将区域温度控制在刚好低于主激光要扫描的区域的熔点以下。理论上来说，考虑该方法的原因是要提高系统的能源效率。目前，会使用辐射加热器、区域辐射热或构建板温度控制系统来预热待处理的整个珠床。通过减小待预热区域的尺寸，能减少系统的整体能耗。

此外，本发明的实施例是基于使用数字镜装置(DMD)空间光调制器，DMD装置阵列，并且都假定以连续模式操作时功率密度必须限制为100W/cm²或更小，此时足以使塑料融合和流动，但不足以融合和熔合金属。

提供了一种用于金属的增材制造系统，该增材制造系统使用激光和空间光调制器，空间光调制器阵列以及二者以在熔合到下层的粉末金属层上形成能量图案，机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，运动控制系统，升降器在每一层被熔合后向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的这些激光、系统和方法：波长范围为300-400nm的激光；波长范围为400-500nm的激光；波长范围为500-600nm的激光；波长范围为600-800nm的激光；800nm-2000nm范围内的红外激光；激光通过光导管、微透镜匀化器、衍射元件以及它们的组合和变体被均化；激光在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用；空间光调制器为数字微镜装置(DMD)阵列，其为微镜阵列；空间光调制器是能够处理数瓦至数千瓦功率级的任意类空间光调制器；DMD是风冷的；DMD是水冷的；DMD通过诸如微通道冷却器之类的水冷却器进行水冷却的；DMD由珀尔帖(Peltier)冷却器冷却；包括用于维持构建室温度的区域辐射加热器；包括经加热的构建板；包括高温计或FLIR摄像机，以监测或控制构建板温度；包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板温度；包括用于确定最佳构建策略的软件；包括单独的次激光，用于仅在图案将被照亮的地方加热粉末床；使用惰性气氛用于部件构建；使用惰性气氛用于保持系统中的光学器件洁净；并且其中激光-空间调制器组合创建和成像具有熔化金属所需的数千瓦/平方厘米的功率密度在粉末床上。

此外，提供了一种用于金属的增材制造系统，其使用激光和空间光调制器、空间光调制器阵列以及二者，以在熔合到下层的粉末金属层上形成能量图案，例如通过使用传导模式焊接工艺，其中借助于第二激光预热粉末床；机架系统用以在整个粉末床上步进和重复图像，以通过与头部、床部以及二者的运动同步地在整个DMD上滚动图像来提供时间(优选地是更长的时间)来融合粉末，连续地打印图像；运动控制系统，升降器，用以随着每层熔合而向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

此外，提供了具有构建板的特征的这些系统和方法，其包括任何数量的金属材料，包括铝，阳极氧化铝，钛，钢，不锈钢，镍，铜，这些的组合以及可与粉末相同或不同的任何其他材料。

更进一步地，提供了具有以下一个或多个特征的这些激光、系统和方法：其中激光是大约450nm蓝色激光；其中激光在300-400nm的波长范围内；其中激光在400-500nm的波长范围内；其中激光在500-600nm的波长范围内；其中激光在600-800nm的波长范围内；其中所述激光是在800nm至2000nm范围内的红外激光；其中，激光通过光导管或微透镜匀化器被均化；其中激光可在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用；其中提供有次激光；其中次激光是450nm蓝色激光；其中第二激光在300-400nm的波长范围内；其中，次激光在400-500nm的波长范围内；其中次激光在500-600nm的波长范围内；其中次激光在600-800nm的波长范围内；其中次激光是在800nm至2000nm范围内的红外激光；通过光导管、微透镜均化器或衍射光学元件被均化；其中次激光在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用；其中该系统具有空间光调制器；其中空间光调制器是数字微镜装置(DMD)；其中空间光调制器是能够处理数瓦至数千瓦功率级的任意类空间光调制器；其中系统包括用于维持构建室的温度的区域辐射加热器；其中该系统包括经加热的构建板；其中系统包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度；其中系统包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板的温度；其中该系统包括用于确定最佳构建策略的软件；其中该系统使用惰性气氛用于部件构建；其中该系统使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净；其中该系统包括创建和成像数瓦至数千瓦功率密度在粉末床上的激光-空间调制器组合。

此外，提供了具有以下一个或多个特征的这些激光、系统和方法：具有第二激光，其中在第二激光中用于系统中预热和创建在具有数瓦至数千瓦功率密度的粉末床上重叠空间-滤波器激光系统的图像的区域；并且，其中激光系统具有数瓦至数千瓦功率密度的粉末床。

进一步地，提供了一种用于金属的增材制造系统，该系统使用激光和空间光调制器在被熔合到下层的粉末金属层上形成图案，机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，运动控制系统，升降器在每一层被熔合后向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

另外，提供了具有以下一个或多个特征的这些系统、子系统和方法：其中激光为波长450nm蓝色激光；其中激光的波长范围为300-400nm；其中激光的波长范围为400-500nm；其中激光的波长范围为500-600nm；其中激光的波长范围为600-800nm；其中激光是在800nm至2000nm范围内的红外激光；其中激光通过光导管或微透镜匀化器被均化；其中激光是在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用；其中空间光调制器是作为微镜阵列的数字微镜装置(DMD)阵列；其中空间光调制器是能够处理数瓦至数千瓦功率级的任意类空间光调制器；其中DMD是风冷的；其中DMD是通过诸如微通道冷却器之类的水热交换器进行水冷却的；其中激光为DMD通过珀尔帖冷却器冷却；其中系统包括用于维持构建室温度的区域辐射加热器；其中该系统包括经加热的构建板；其中系统包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度；其中系统包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板的温度；其中该系统包括用于确定最佳构建策略的软件；其中根据权利要求1所述的系统，其包括：单独的次激光，用于仅在图案将被照亮的地方加热粉末床；其中该系统使用惰性气氛用于部件构建；其中该系统使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净；并且其中系统的激光-空间调制器组合创建和成像数千瓦功率密度在粉末床上。

还提供了一种用于金属的增材制造系统，其使用激光和空间光调制器在被熔合到下层的粉末金属层上形成图案，借助于第二激光预热粉末床，机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，运动控制系统升降器在每一层被熔合后向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

还提供了一种用于金属的增材制造系统，其使用多个激光和多个空间光调制器以在被熔合到下层的粉末金属层上形成单个较大图案，机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，运动控制系统，升降器在每一层被熔合后向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

此外，提供了一种用于金属的增材制造系统，其使用多个激光和多个空间光调制器以在被熔合到下层的粉末金属层上形成图像和非图像的检验板图案，机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，运动控制系统，升降器在每一层被熔合后向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室。

还提供了一种激光空间光调制器组合，该组合创建图像并将图像移动过DMD，从而在移动机架系统上创建固定图像，从而延长用于在被熔合材料中打印图案的曝光时间。还提供了一种用于从金属粉末形成金属物体的增材制造系统，该系统具有：激光源，其沿着构建激光束路径提供构建激光束；用于加热金属粉末的加热机构；激光束路径上的数字微镜装置(DMD)，由此构建激光束被引导至DMD，其中DMD创建沿着激光束路径从DMD反射到光学组件的2D图像图案；以及，将激光束引导至金属粉末的光学组件，由此2D图像图案被传送至金属粉末。

另外，提供了具有以下一个或多个特征的这些系统、子系统和方法：其中，加热机构选自电加热器、辐射加热器、IR加热器和激光束组成的群组；其中加热机构是波长在蓝色波长范围内的激光束；其中金属粉末形成金属粉末床；其中激光束的波长选自蓝色和绿色组成的群组；其中激光束的波长选自约450nm，约460nm，约515nm，约532和约550nm组成的群组；其中激光源的功率约1kW至约20kW；其中2D图像向金属粉末传送从约2kW/cm²至约5kW/cm²的峰值功率密度；其中DMD具有最大平均功率密度水平；其中金属粉末上的2D图像的峰值功率密度水平大于DMD的最大平均功率密度水平的至少500倍；其中DMD具有最大平均功率密度水平；其中金属粉末上的2D图像的峰值功率密度水平大于DMD的最大平均功率密度水平的至少1000倍；其中加热机构被配置为将粉末加热到金属粉末的熔点的200℃以内；其中加热机构被配置为将粉末加热到金属粉末的熔点的100℃以内；其中加热机构被配置为将粉末加热至金属粉末的熔点约400℃；其中加热机构被配置为将粉末加热至金属粉末的熔点约600℃；其中加热机构被配置为将粉末加热至金属粉末的熔点约400℃，并且将粉末保持于该温度；其中加热机构被配置为将粉末加热至金属粉末的熔点约600℃，并且将粉末保持于该温度；其中加热机构被配置为将粉末加热到金属粉末的熔点200℃以内，并且将粉末保持于该温度；具有第二激光源，以沿着第二构建激光束路径提供第二构建激光束；第二激光束路径上的第二数字微镜装置(DMD)，由此第二构建激光束被引导到第二DMD中，其中第二DMD创建沿第二激光束路径从第二DMD反射到第二光学组件的第二2D图像图案；其中2D图像图案被传送到金属粉末的第一区域，并且第二2D图像图案被传送到金属粉末的第二区域；其中第一区域和第二区域不同；并且，其中第一区域和第二区域是相邻的。

另外，提供了具有以下一个或多个特征的这些系统、子系统和方法：其中，DMD阵列针对至少一种以下波长中的波长进行了优化：蓝色波长范围，400nm，约440nm，450nm，约450nm，460nm和约460nm，绿色波长范围，515nm，约515nm，532nm，约532nm，和红色波长范围600nm至700nm。

另外，提供了具有以下一个或多个特征的这些系统、子系统和方法：其中，构建激光束具有选自至少一种以下波长中的波长：蓝色波长范围，400nm，约440nm，450nm，和约450nm，460nm和约460nm，绿色波长范围，515nm，约515nm，532nm，约532nm，和红色波长范围600nm至700nm。

还提供了一种用于从金属粉末形成金属物体的增材制造系统，该系统具有：激光源，其沿着构建激光束路径提供构建激光束；第二激光源，用于提供加热激光束；激光束路径上的数字微镜装置(DMD)，由此构建激光束被引导至DMD，其中DMD创建沿着激光束路径从DMD反射到光学组件的图像；以及，将激光束引导至金属粉末的光学组件，由此图像被传送至金属粉末。

更进一步地，提供了一种激光空间光调制器组合，其以时间上或图案上的最佳灰度级将2D图案投影到粉末床上，使得热量将熔融的熔池处理成理想的构建形状，产生更清晰的过渡和更密集的部件。

附图说明

图1为根据本发明的增材制造系统的一实施方式的立体图。

图2为根据本发明的激光DMD打印头的一实施方式的剖视立体图。

图3为根据本发明对给定功率的实施方式将脉冲宽度与重复率进行对照的图表。

图4A和图4B为使用根据本发明的激光空间光调制器的一实施方式的印刷图案的照片。

图5为比较根据本发明的系统的实施方式的粉末床中蓝光吸收的图表，与IR激光系统相对照。

图6为根据本发明的重叠预热束和构建激光束的一实施方式的示意图。

图7是根据本发明的系统和方法的定时的一实施方式的流程图。

图8是根据本发明的系统和方法的定时的一实施方式的流程图。

图9是根据本发明的多DMD激光打印机系统的一实施方式的示意图。

图10是根据本发明的多DMD激光打印机系统的一实施方式的示意图。

具体实施方式

总的来说，本发明涉及材料的激光处理，通过使预选的激光束波长与待处理材料相匹配以使材料会具有高的或提高的吸收率水平的激光处理，提供更高速度、效率和更大构建对象尺寸的系统结构，特别是通过启始原材料会具有高吸收率的激光束使原材料成为大型结构、部件、组件和物品的激光增材制造。

本系统和方法的实施例可使用任意激光波长，但是优选的实施例是使用一对蓝色激光，以并行方式使用空间光调制器作为界定要熔合的粉末床上的图案的手段，来印刷和熔合部件的这些层。实施例中的激光源和激光束可具有蓝色波长范围内的波长，并且优选地可为450nm，约450nm，460nm，约460nm，并且具有带宽为约10pm，约5nm，约10nm和约20nm，和从约2nm至约10nm，以及更大和更小的值。实施例中的激光源和激光束可具有绿色波长范围内的波长，例如，可为515nm，约515nm，532nm，约532nm，550nm，约550nm，并且具有带宽为约10pm，约5nm，约10nm和约20nm，和从约2nm至约10nm，以及更大和更小的值。这些不同波长的组合和变化可以在系统中使用。

用于本系统和方法的实施例的打印引擎基于数字微镜装置(DMD)阵列，其实施例能从德州仪器(TI)获得，其创建待打印的2D能量图案。TI制造的所有DMD产品都是该工艺的候选产品，用于打印图4a和图4b中的图案的DMD为DLP9500。2D能量图案是指激光束或激光束图案在要熔合的粉末床上形成的图像。如本说明书中所讨论的，虽然该图像被观察为2D能量图案，即粉末床上的图像，但随着能量穿入该床中并熔合材料到构建对象的下层，它将具有深度，即3D特性。这些打印引擎可与本说明书中提供的任何激光增材制造系统和方法以及其它的一起使用。DMD阵列反射的蓝色激光在再成像时以粉末床上2D能量图案提供从数瓦至数千瓦的功率密度。可添加第二蓝色激光以在将2D能量图案成像的确切位置预热粉末床，以减少激光-空间光调制器对将图案化粉末熔合至下层所需的能量。该打印引擎安装在精密机架系统上，该系统可将2D图像缝合在一起以形成较大的2D图像，该图像是单层部件。该系统优选地包括作为机架系统的一部分或与机架系统分开的粉末散布器和作为构建体积的一部分的升降机。构建体积优选地是氧气非常低的，并且更优选地是无氧的，并且可以填充有惰性气体(例如，氩气)或气体混合物以促进熔合过程(例如，氩气-CO₂)。粉末床和腔室可通过电加热器，辐射加热器以及这些和其他类型加热器的组合和变体直接加热，以减少制造过程中部件的热损失。在一实施方式中，传导模式焊接工艺是用于将每一层熔合在一起的优选方法，其消除了在本发明所教导和公开的实施例之前在穿透工艺(所有增材制造扫描激光系统的典型工艺)中通常会遇到的飞溅。

通常，数字微镜装置(DMD)使用非常小的镜，该镜可由铝制成从而反射光以形成图像。DMD也可称为DLP芯片。这些装置的实施方式可为几厘米(cm)，从大约1cm到大约3cm，从大约1cm到大约2cm，一厘米或更小，小于0.5cm，小于0.2cm，或更小，对于它们的横截面尺寸(例如，正方形的边，圆的直径，或矩形的长边，这些装置也可为其他形状)。这些DMD可包含从约100000个至400万个，至少约100000个，至少约500000个，至少约100万个，约200万个或更多的镜，每个镜为约4μm或更小，约7.56μm或更小，约10.8μm或更小，约10μm或更小，从约4μm至约20μm，以及这些尺寸和更大和更小尺寸的组合和变化。这些镜能以预定的图案布置，比如矩阵，例如像照片马赛克，每个镜代表一个像素。

在一种实施方式中，DMD包括：CMOS DDR SRAM芯片，其为存储单元，将根据其逻辑值(0或1)以静电方式使镜倾斜至开或关位置；散热器；光学窗口，其在允许激光穿过的同时能够保护镜免受灰尘和碎屑的侵害。

在实施方式中，DMD在其表面上具有数十万个或更多个微镜，其通常布置成矩形阵列对应于要形成和显示的图像中的像素。这些镜可单独地旋转，例如±10-12°，或多或少，旋转到开启或关闭状态。在开启状态中，来自激光源的激光(例如构建激光和构建激光束)反射到透镜中，使像素将构建激光能量引导到粉末床上的图像中。在关闭状态中，激光束(例如构建激光)被引导到别处，例如到束流收集器，使像素无助于图像或粉末熔合。可以理解，在实施方式中，预热激光束也可被引导至DMD装置并从DMD装置反射以在粉末床中粉末上形成预热图像。

在理论上类似于图片灰度级的一实施方式中，非常快地切换开启和关闭镜，并且开启时间与关闭时间的比率确定了粉末床中粉末的熔合或键合的量。这提供了控制粉末床上激光束的激光功率和功率密度(例如，kW/cm²)的能力，而无需改变来自激光源的输出束的功率。在一些实施方式中，可获得超过500种不同功率和功率密度，超过700种不同的功率和功率密度，以及超过100000种不同的功率和功率密度。实现灰度效果的另一种方法是对图像进行像素化，丢弃与正在处理的材料中的热扩散长度相比尺寸较小的单个像素。这有效地降低了传递到图像的平均功率。无论是在时间上还是在空间上，这种灰度都能用来操纵融合池并迫使其成为优选形状。

从TI能得到用于在本系统、打印头和打印引擎中使用的DMD的实施方式，这些DMD包括：DLP2010，DLP3000，DLP3010，DLP4500，DLP4710，DLP5500，DLP6500，DLP7000，DLP9000，DLP9000x，DLP9500，带有数字控制器；DLPA2000，DLPA3000，DLPA3005，DLPC3430，DLPC3433，DLPC3435，DLPC3438，DLPC3439，DLPC3470，DLPC3478。

参见图1，示出了增材制造系统100的实施方式。系统100具有基座108，该基座108具有安装在基座108上的机架系统101。机架系统101提供用于DMD打印头103的移动。该移动可沿x轴102，或沿y轴102a。系统100具有粉末床升降器104(用于在部件被构建时向下移动部件以允许下一层沉积在部件上)，粉末床散布器105和粉末辊106。来自DMD打印头103的图像107示出在粉末表面上的图中。该系统具有层流气刀109和高温计或FLIR摄像机110。基座108和机架系统101具有线束111，其可包含例如机架电源、控制线和用于传输激光束的光纤。在一些实施方式中，激光源或其一部分可位于机架上并随之移动。在一些实施方式中，激光源位于远离基座，远离激光头，或二者，并通过光纤连接到激光头103，例如置于与其光通信。激光源也可通过飞行光学头设计连接，其中激光束穿过自由空间到达打印头。

参见图2，示出了激光DMD打印头200的实施方式的截面立体图。该实施方式可与本发明的任意系统一起使用，包括图1的系统，以及其他的。激光DMD打印头200具有包含光学组件的壳体230，并具有第一激光输入201和第二激光输入212，以及输出或出射窗口209。行进到壳体230中的激光束被光学器件定向和成形，然后通过出射窗口209离开壳体230以形成图案(在粉末床上，该图中未示出)。在一种实施方式中，这些激光输入201、212是用于传输来自激光源的激光束的连接器和光纤，所述光纤例如是光通信(例如连接至)激光源以将激光束传输至打印头的QBH光纤电缆。壳体230内的光学器件限定两个激光束路径，每个输入一个。沿着第一激光束路径，在激光束传播方向上，为输入201，准直透镜205，转向镜206，DMD 202(其由冷却器203冷却)，关闭状态束流收集器204(其也可冷却)，以及DMD成像透镜208，由此激光束行进通过窗口209以形成图像210。沿着第二激光束路径，在激光束传播方向上，为输入212，准直透镜210，转向镜207，(成像透镜208，可在或不在第二光束路径中，并且可使用第二成像透镜或单独的成像透镜)，然后通过窗口209到达粉末床上的位置。

在增材制造系统的一种实施方式中，第一激光束路径是构建激光束和构建激光束路径，因为熔合粉末以构建对象的正是激光束。构建激光束的波长可在蓝色波长范围内并且优选为440nm，大约440nm，450nm以及大约450nm，460nm和大约460nm的波长，可在绿色波长范围内中并且例如为515nm，约515nm，532nm，约532nm。构建激光束可具有本说明书中列出的任意功率、功率密度、峰值功率和重复率。第二激光束路径和沿着该路径行进的第二激光束为预热激光束。它不需要是相同波长，可为从440nm至1100微米之间的任意波长，也可为与构建激光相同的波长，在粉末床上具有较低、相似或较高的功率密度，因此可用以预热粉末床，并且保持粉末床的温度，以促进构建激光熔合粉末以构建对象的能力。

在打印机头230的一种实施方式中，第二激光输入212连接到激光源用以预热粉末床。通过这种方式，第二激光束路径及其相关的光学器件用于预热系统。因此，在该实施方式中，如上所述，从连接器201通过窗口209到图像210的第一光束路径和分量提供了用于将粉末床材料熔合在一起的激光束，即构建激光束或熔合激光束；并且第二光束路径用于提供预热激光束。

本系统和方法的实施例可使用任何激光波长，但优选实施例使用一对蓝色激光，以并行方式使用与激光阵列相结合的空间光调制器阵列作为界定要熔合的粉末床上的2D能量图案的手段，来印刷和熔合部件的这些层。当部件的分开的部分或分开的部件被并行处理时，能量图案可为连续的或分开的。通过将多个能量构图系统组合在一起，可以将更高的总功率传递到粉末床的表面，结果可以用单个脉冲打印出更大的部件，从而显着提高了机器的构建速度。由于DMD的功率处理能力受到限制，因此使用了多个DMD。现成的DMD系统能够根据背板温度和冷却方法在连续的基础上处理从25W/cm²至75W/cm²的蓝色激光。要生产的部件越大，则将2D图案完全融合到整个表面所需的总功率的量越大。由于DMD在一些实施方式中可为所传递功率的限制因素，因此可使用并联的多个DMD来提供实现理想的高构建速率所需的面积缩放。此外，该打印引擎可安装在精密机架系统上，该系统允许将2D图像缝合在一起以形成更大的2D图像，该图像是单层部件。该系统的实施方式可包括作为机架系统的一部分或与机架分开的粉末散布器，以及作为构建体积的一部分的升降器。构建体积应具有减少的氧气，并且优选是无氧的，并且可以填充有例如惰性气体(如氩气)或混合气体以促进熔合过程(如氩气-CO₂)。能量图案化区域可通过次激光源进行预热，或通过电加热器和辐射加热器直接加热以减少制造过程中部件的热损失。次激光或次热源提高了粉末床的基底温度，并降低了对于通过激光/空间调制器系统融合粉末(即熔合或构建激光束或增材制造系统的子系统)的能量需求。在一些实施方式中，传导模式焊接工艺是用于将每一层熔合在一起的优选方法，其消除了对于所有增材制造扫描激光系统在穿透工艺(基准工艺)中通常会遇到的飞溅。

2D能量构图系统(用于3D构建)

该系统的优选实施方式是来自TI的数字微镜装置(DMD)。该阵列由微镜组成，这些微镜在被命令关闭或打开透射光时会倾斜。通过在工艺中在高速下调节这些镜的位置或激光的功率设定以设定要传递到表面的能量的量或通过在整个图像中将这些镜随机变为关闭状态来降低图像中的平均功率密度，能够完成灰度。优选的DMD阵列是对于使用激光束的波长已经进行优化的阵列，例如优化以用于波长在蓝色波长范围内和优选地为400nm，约440nm，450nm，以及约450nm，460nm和约460nm优化以用于波长在绿色波长范围内，例如，可为515nm，约515nm，532nm，约532nm，和红色波长范围内600nm至700nm。用于可见波长的光的典型DMD在450nm处的反射率为88％，并且衍射效率超过64％。这种高透射率使这些装置基于冷却方法能够处理25W/cm²或更高的平均功率密度，并且使之能处理蓝色、绿色和红色波长(可见光)中的构建激光束。使用微通道冷却器在DMD上进行的测试表明，以高达75W/cm²的功率密度运行该装置是安全的。DMD的工作功率密度，例如平均功率密度额定值，可为大约25W/cm²至160W/cm²，大约50W/cm²至100W/cm²，和大约25W/cm²至75W/cm²，以及更大和更小的值。平均功率密度额定值是该装置的连续热负荷额定值。由于高反射率，低重复率的短脉冲可能具有比装置的连续额定功率高得多的功率密度。参见图3，示出了提供要维持该平均功率密度对给定重复率的最大脉冲宽度的计算的图表。进行计算的激光功率级的范围为150W(瓦)至6kW(千瓦)。在6kW时，DMD装置上的瞬时功率密度或峰值功率对于DLP9500装置为2.5kW/cm²，大于该装置的平均功率密度额定值的1000倍。能够达到这样的功率吞吐量(throughput)水平，是因为激光脉冲宽度短，并且占空比低，导致装置上的平均功率不超过最大额定值。在这种情况下，只要吸收的能量不超过涂层或镜的损坏阈值，光学涂层(增强型铝)就能够维持非常高的峰值功率级。在脉冲模式下，铝光学涂层损坏水平对于短脉冲通常为10-50MW/cm²，在本系统中这种应用远低于该损坏极限。此外，镜的热质量用于吸收12％的入射能量，并确定对给定功率密度的最大曝光时间以将镜的温度保持在建议的工作范围内。因此，本发明的DMD系统和方法能将峰值强度传递给能够直接熔合金属粉末而不会损坏DMD的粉末床。

因此，在本系统的一些实施例中，增材制造系统和方法中的DMD设备反射和引导激光束以在粉末床上形成图像，其中激光束在粉末床上的峰值功率密度(kW/cm²)为2倍、10倍、100倍、1500倍、从100倍至1000倍甚至更多地高于DMD的平均额定功率密度。

参见图4A和4B，示出了印刷图案的照片。图4A中示出了直接熔合的金属粉末，在这种情况下是100μm厚的铜粉末层，并且“N”的图像通过激光/空间调制器系统直接印刷。铜粉末的熔点为1085℃。图4B示出了通过激光/空间调制器系统直接印刷的第二个字母“U”。用手将粉末预放置并加热至100℃以便在处理之前除去杂质。打印过程首先将字母N的图像下载到DMD。然后，蓝色激光系统脉冲接通4毫秒，此时占空比维持25W/cm²建议操作点并在粉末床的表面提供85瓦峰值功率，这相当于3.7kW/cm²功率密度。由于该测试使用的是低功率激光，DMD上的图像会滚动以使得移动机架系统上的图像保持静止，直到沉积出足够的能量以加热粉末并将其熔合成图像为止。然后将图像更改为下一个字母，然后重复该过程。粉末床的温度为20℃，因此加热和融合粉末的所有能量都来自激光/空间光调制器系统。这些字母约高500μm、宽500μm。在更高的激光功率和加热床的情况下，用单脉冲融合粉末是可行的。

在一种实施方式中，以6.5毫秒脉冲宽度和3Hz重复率操作6kW蓝色激光源(构建激光束)，这对应于在使用铜粉末时超过75cc/hr的构建速率。用匀化器使激光能量均匀分布在DMD上。DMD上的功率密度为2.5kW/cm²，其为2cm宽，1.1cm高。DMD的分辨率为1920镜乘1080镜，间距10.8μm。DMD镜在该波长下的反射率约为88％，装置窗口的透射率为97％，DMD在该波长下的衍射效率为～62％，并且成像光学器件的透射率假定为99％。使用2：1成像光学器件，将10mm x 5.5mm的图像中继到粉末床，估计损耗从激光-空间光调制器组合会导致在粉末床上～6kW/cm²功率密度，其为1.6的系数高于图4A和4B的测试中所使用的强度，并且沉积的总能量大了60倍的系数。“系统”图像分辨率约为5.04μm，使该系统具有比任何其他激光烧结方法更高的分辨率。由于DMD芯片的公开的平均功率密度限制为25W/cm²，因此为6kW激光源选择了6.5毫秒脉冲宽度，这相当于在粉末床中沉积了约21焦耳的能量。在图4A和4B所示的实验中，由于照射区域仅为0.5mm×0.5mm，因此需要显著较低的能量沉积(0.34焦耳)。假设床温600℃，则估计需要14焦耳的能量才能融合体积为10mm x 5.5mm x0.1mm、空隙率为25％的铜粉末。该分析不考虑基底的任何加热，因为这可能会使能量需求更高。当印刷第一层部件时，出现最高的能量需求，在那里热能扩散到基底中会使能量需求增加3倍以融合和熔合粉末。次加热激光可用于补充成像系统以提供该步骤所需的额外能量。随着构建的进行，热扩散此时是前一层中质量的因素，部件越薄，功率要求越低，前一层的尺寸越大，功率需求则越大，而最高功率需求出现在将第一层粘合到构建板的过程中。

通过系统或方法的分辨率，是指由系统构建的对象的最小部件或最小尺寸等于所声明的分辨率，例如，分辨率定义了能构建的对象的最小尺寸。因此，通过激光系统的分辨率，方法的分辨率，是指该系统和方法有能力在该分辨率构建部件或部件中的特征。因此，举例来说，75μm的分辨率将提供能力以构建最小尺寸为75μm的部件，最小特征为75μm的部件，或二者。蓝色激光3D增材制造系统的实施方式，例如3D蓝色激光打印机，以及蓝色激光3D增材制造方法的实施方式，其分辨率从约0.5μm至约200μm以及更大，约0.5μm至约100μm，约0.5μm至约50μm，小于约100μm，小于约75μm，小于约50μm，小于约25μm，小于约10μm，以及小于约5μm。该系统既能具有例如大于200μm的很大的分辨率的能力，又能具有约0.5μm至约10μm和1μm至约5μm的非常精细的分辨率。此外，本系统和方法的实施例，包括本说明书中的实施方式和示例，以及蓝色波长，440nm，约440nm，460nm，绿色波长，515nm，约515nm，532nm，约532nm，550nm，约550nm的实施方式，分辨率从约10μm至约0.5μm，小于10μm，小于5μm，小于2μm，从大约3μm至大约0.9μm，大约1μm，和更小的值，以及这里的其他值的实施方式。

图5为与IR激光相比之下蓝色激光在铜粉末床中吸收速度有多快的比较。蓝色激光的高吸收率是使该过程得到理想分辨率、构建速度以及两者兼得的一个因素，因为IR激光会散射到待熔合图案外的粉末床中，因此更高功率级别的激光是必要的，而IR中的分辨率受到高散射因素的限制。因此，可使用假设100％的光被吸收。如果粉末层为密度75％，则可根据热容方程计算将粉末层从600℃加热到1085℃所需的能量，这是铜的熔点。由于涉及到相变，因此熔化热包含在能量需求计算中。基于这两个组分的总和，融合10mm x 5.5mm x100μm体积的铜所需的能量约为14焦耳。基于该计算，当今可用的典型DMD阵列适于在基于金属的增材制造系统中使用，优选地是调整粉末的基底温度以补偿融合金属所需的能量，或者次激光用于预热图像区域。

使用500瓦蓝色激光源通过DMD加热铜粉末床的实施方式，可在1.5Hz重复率的脉冲时提供高达78毫秒的脉冲宽度。在这些条件下，500瓦蓝色激光源将向铜粉末床传送39焦耳，这能量足以从400℃背景床温度到融合铜。

在一些实施方式中，虽然激光-空间光调制器组合能够提供足够能量以融合50μm厚的粉末层，但可能不足以熔合到下面的层。由于传导模式焊接以球形方式穿过这些层材料，因此焊接的宽度与深度一样大。例如，深度50μm的焊缝至少宽度50μm。为了确保粉末层熔合到其下面的层，则最小特征尺寸将必须至少为粉末层的深度的1.5-2倍。这意味着要使用75-100μm宽的焊珠将粉末层熔合到下层。考虑到熔合到在下的固体层所需的能量，在从400℃到铜的熔点时，要增加从36焦耳到86焦耳融合和熔合粉末所需的能量。在一些实施方式中，这仅靠激光-空间滤波器结合是无法实现的，因此要么提高床温，要么增加单独的热源。通过增加第二激光，优选地没有空间光调制器，添加了额外的热量以提高粉末的温度而不会融合。因此，该第二激光可预热粉末并保持粉末层和构建对象的温度高于环境温度，例如，粉末可预热至并保持温度为大于100℃，大于200℃，大于300℃，大于400℃，从大约300℃到大约600℃，在粉末熔点的300℃范围内，在粉末熔点的200℃范围内，在粉末熔点的100℃以内，高达和刚好低于粉末的熔合温度，以及更高和更低的温度。

如在此使用的，除非另有明确声明，空间光调制器，激光/空间光调制器，DMD系统，激光-空间，以及类似这些的术语，是指相同一般类型的系统，或子系统，使用微镜，微反射组件，或具有微级或亚微级分辨率的类似反射组件，在粉末床以及液晶和其他类型的基于晶体的空间光调制器上，创建用于构建激光束的激光图案和图像。

第二激光(例如，如上所述的图2的第二光束路径)照射与如图6中所示激光-空间光调制器照射的相同区域。在图6中，有金属粉末床600。预热激光束形成加热床600的区域605的预热激光图案601。还示出了在金属粉末床600上的构建激光图案602和603。因此，区域605中的材料由第二激光束(例如预热激光束)加热，并且激光图案602和603中的被加热的材料熔合成目标对象。对于上述情况，需要86焦耳热量来融合和熔合粉末。如果500瓦激光-空间滤波器结合为图案提供39焦耳，则第二激光提供余量或47焦耳。为了适应时间以移动、涂覆和执行其他功能，预热激光的脉冲宽度可为占空比10％或66毫秒。这对应于750瓦预热激光功率。假设第二激光将粉末床区域加热到熔点的200℃以内，则当激光-空间光调制器照亮该部件时，它将粉末床和下层上的图案化区域的温度升高到铜的熔点。图7阐明了系统的时序。该顺序导致50μm粉末层融合和完全熔合其下方的完全致密层。

在一种实施方式中，激光-空间光调制器对是基于在1.5Hz重复率工作的6000瓦蓝色激光器。预热激光为750瓦激光。预热激光工作与上述相同(66毫秒)的持续时间，以将粉末床温度提高到待融合材料(例如粉末床中的粉末)(这种情况下为铜)的熔融温度的200℃以内。使用高温计或FLIR摄像机用以在该预热过程中监测粉末床的温度，并控制激光功率以保持该温度，直到激光-空间光调制器图像照亮粉末床区域并熔合粉末到在下的层为止。6000瓦激光器开启6.5毫秒，而750瓦激光器开启66毫秒或更久。在该实施方式中，假定腔室温度为室温或接近室温。

在一种实施方式中，激光-空间光调制器对是基于在1.5Hz最大重复率工作的500瓦蓝色激光器。预热为1000瓦激光。预热激光工作与上述情况相同的持续时间，约78毫秒。但是，更高功率级的预热激光此时仅工作25毫秒，为重新定位图案提供了额外时间。在该实施方式中，假定腔室处于室温或接近室温。

所描述的激光打印引擎安装精密机架系统上，诸如图1的实施方式，在气密外壳中。气密外壳如果填充有惰性气体，该惰性气体不断循环以清除过程中的任何焊接烟尘。惰性气体环境可确保在构建过程中不会发生导致部件出现孔隙的表面氧化。机架系统使打印头定位在x-y方向上，在打印每个新层时，使用升降器将部件向下移动。原则上，步进和重复2D能量图案的这种方法可以应用于任何大体积，例如0.5m³、1m³、2m³、3m³、10m³，从1m³，到10m³，以及更大和更小的体积，约束在于所采用机架系统的准确性。

构建从计算机辅助设计文件开始，通常是步骤文件。软件首先将对象分成50μm片段，或多或少根据分辨率和形状来分。然后，分片段后显示的表面分成为与空间光调制器相同图像尺寸的区段。然后，由软件决定构建策略，决定图案的哪部分首先曝光，曝光水平应该怎样，以及支撑结构(如果应该使用的话)怎样。该软件还确定预热激光以及激光-空间调制器系统的最佳开启时间。预热时间可能会不同，这取决于基底材料的密度，基底材料的融合温度，在待熔合层下的层中的材料的量以及在待熔合层下的层中的材料的密度。根据部件的尺寸，部件复杂性和部件的方位，可使用辐射加热器将构建腔室的床，壁或顶保持在最佳温度，以避免在错误的速率热损失于构建环境。在图8中概述了该处理顺序。

提供以下实施方式以阐明本发明的激光系统和部件的各种实施方式。这些示例仅用于说明性目的，可为预见性的，但不应视为限制性的，并且不限制本发明的范围。

示例1

如图1中大体上示出了增材制造系统的一种实施方式。该系统100主要包括安装在隔振平台上的x-y机架系统101。机架系统102的x轴主要包括一对空气轴承和能够定位到1微米或更小的绝对位置的线性电机。用于机架系统的x轴的电机还能以双向方式移动粉末散布器105以散布粉末。粉末能通过装满粉末的第二升降器区段输送，或者通过使粉末落到粉末床上的粉末加料斗来输送。粉末加料斗在该图中未示出，但会安装在机架系统的前部和后部。整个系统将封装在一个气密外壳(在该图中未示出)中。DMD激光打印头103安装在机架系统的y轴上，并且能横贯该床并可重复地定位在沿着该轴的任何位置的微米范围内。粉末床104位于高精度升降器上，该高精度升降器使该床在每个处理步骤后降低至少10μm。这使粉末散布器105能将均匀粉末层置于之前熔合的图像上。沿着与运动相反的方向旋转的辊子106用于使粉末层光滑并压紧。粉末床具有内置的加热器，以使构建周期中使用高温。将层流气刀直接放置在DMD激光打印头109下方，以避免碎屑或烟雾到达窗口，DMD图像和次预热激光从该窗口显现出。DMD图像107根据分片段软件置于粉末床上，并且随着图像在图像的宽度上步进来完成部件的相邻部分，图案改变。取决于部件中热积聚的管理以及使部件中翘曲和应力最小化的要求，图像也可能走得更远。

示例2

如图2中大体上示出了DMD打印头的一种实施方式。要调制的主激光功率通过工业标准QBH光纤电缆201传输到打印头200。使用用于预热的第二激光也通过工业标准QBH光纤电缆212传输。这些电缆设计成坚固耐用并在操作过程中密封外部环境。电缆400μm或更小直径的光纤都在保护套内。一对40mm准直透镜205、210用于准直每个光纤的输出。基于来自光纤的光束的形状和均匀性，在准直光学器件后紧接着插入匀化器和光束成形光学器件。主激光源(构建激光器)和次激光源(预热激光器)二者都可使用匀化器来提供足够均匀的强度以使熔合的打印是均匀的。转向镜206用于将来自主激光器的光纤201的准直光束以与DMD的表面法线成24度必要角的方式引导到DMD上。当激光器处于开启状态时，DMD 202镜朝向入射光束倾斜并重定向光束垂直于DMD表面。当激光器处于关闭状态时，DMD 202镜背离入射光束倾斜并将入射光束从垂直于DMD表面的向量重定向成48度背离入射光束。这是束流收集器204所在的位置，因为它必须拦截图像中在关闭状态中的任何束能量。现在，用100毫米FL透镜将来自DMD 202的光束重新成像到激光打印头下方200毫米的点上。这是1：1的成像布置，可根据所需部件的尺寸和精度采用其他比率。次激光器的光纤输出212由透镜205准直，并且可通过光束匀化器以实现所需的熔合均匀度。在对次光束进行光束调节后，使用镜207将其定向或重成像到与DMD图像相同的点上。该系统不会通过与DMD光束相同的成像镜头。但是，DMD光束和次光束这两光束确实通过共同的窗口209离开打印头。然而，根据系统的几何形状，可使用第二窗口让预热激光离开。最终结果是在粉末床珠上DMD图像210重叠次激光束，如图6所示。

示例3

本发明的实施方式涉及在相同成像孔或平行成像孔内使用多个DMD。参见图9，示出了多个DMD的激光打印系统200的示意图。该系统具有两个激光构建子系统941、942。子系统941具有激光源901，准直器/匀化器903，DMD 905，镜905a，具有透镜907和909的2：1图像尺寸减小光学组件，镜911和成像透镜920，它们沿激光束路径913放置。通过这种方式，用于熔合粉末的激光束，例如构建激光束，沿着激光束路径913行进通过这些各种组件并提供图像作为图像平铺950a。可以看到，图像平铺950a，950b，950c，950d形成了可具有大量片的分片图像。子系统942具有激光源902，准直器/匀化器904，DMD 906，镜906a，具有透镜908和透镜910的2：1图像尺寸减小光学组件，镜912和成像透镜920，它们沿着激光束路径914放置。通过这种方式，用于熔化粉末的激光束，例如构建激光束，沿着激光束路径914行进通过这些各种组件并提供图像作为图像平铺950b。

在该系统中将使用与系统941、942具有相同构造的两个额外的激光构建子系统，但是在附图中未示出。这两个额外的系统将为图像平铺950c，950d提供图像。在该实施方式中，图像平铺优选地是相邻的。

在该系统中将使用与系统941、942具有相同构造的四个额外的激光构建子系统，但是在附图中未示出。这四个额外的系统将为毗邻950a，950b，950c和950d的图像平铺提供图像到纸张中以创建2D分片图像。

该系统可具有提供反转图像或非反转图像的透镜配置。

每个DMD具有其自己的激光源，并且每个DMD的图像空间都可使用剪切镜分片以在比单个DMD系统能实现的大得多的区域上创建连续图像空间。在每个DMD图像空间之间可能会有一些死角，可通过适当放置剪切镜使其最小化。通过调整每个剪切镜的倾斜和位置，图像空间也能有效地拼接在一起。图9示出了两个DMD图像空间一起平铺在一个轴上以便在粉末床表面上生成更大的合成图像。通过用缩小光学器件压缩每个DMD图像，将每个减小的图像剪切到一起，然后使用单个镜头将图像重新成像或放大到理想尺寸，可以将其扩展到N xM个DMD图像空间。

示例4

本发明的实施方式涉及在不同的成像孔中使用多个DMD以创建并行构建能力。参见图10，示出了多个DMD的系统1000，其具有第一DMD子系统1040和第二DMD子系统1041，用于提供两个并行的构建激光束以在粉末床上创建各自的图像。子系统1040具有沿着激光束路径1013放置的DMD1005。子系统1040提供图像1050a。子系统1041具有沿着激光束路径1014放置的DMD1006。子系统1041提供图像1050b。

每个DMD具有其自己的激光源，并且每个DMD的图像空间都平铺在粉末床的表面上，创建图像和非图像区域的检验板图案。构建策略可为使用每个单个DMD图像空间来构建单个部件。或者使用每个单独的DMD图像空间通过并行构建多个区段来构建更大的部件。

可添加延伸入纸中或毗邻所示系统的第二、第三或第四组系统以在粉末床上扩展可寻址图像区域。

该系统可具有提供反转图像或非反转图像的透镜配置。

示例5

本发明的实施方式涉及在增材激光制造过程中和在增材激光制造系统中，使用具有可见激光束(特别是波长为从350nm至700nm)的激光，从原材料，例如原始粉末，纳米颗粒，颗粒，团粒，床，粉末床，喷雾粉，液体，悬浮液，乳液以及在激光增材制造技术(包括3D印刷技术)中已知的或以后开发的这些和其他起始材料的组合和变体，来构建物品(例如，结构，装置，组件，部件，膜，体积形状等)。

示例6

在激光增材过程中从原材料制造物品的一种实施方式中，使用的波长对于起始原材料而言具有较低的反射率，高吸收率，并且优选地具有这两者。特别是，在一种实施方式中，激光束波长根据起始材料预先确定，以具有吸收率优选为约10％及以上，约40％及以上，约50％及以上，和约60％及以上，以及在10％至85％，10％至50％，约和约40％至约50％的范围内。特别是一种实施方式中，激光束波长根据起始材料预先确定以具有反射率优选为约97％及以下，约60％及以下，约30％及以下，和在70％至20％的范围内，在80％至30％的范围内，以及在约75％至约25％的范围内。在一些实施方式中，可同时存在这些高吸收率和这些低反射率二者的组合。在系统和方法的一种优选实施方式中，使用波长从约400nm至约500nm的激光束或光束以从由金、铜、黄铜、银、铝、镍、这些金属的合金、以及其他金属、非金属、材料、以及它们的合金和组合和变体制成的起始材料来构建物品。

示例7

在一种实施方式中，优选的是使用蓝色激光，例如约380nm至约495nm波长，以从金，铜，黄铜，镍，镀镍铜，不锈钢和其他，材料，金属，非金属和合金，来增材制造物品。在室温下，这些材料对蓝色激光束具有很高的吸收率，例如吸收率大于约50％。本发明的几个优点之一是预选波长的激光束(例如蓝色激光束)的能力，该能力更能够在激光操作(例如增材制造过程)期间将激光能量更好地耦合到材料中。通过将激光能量更好地耦合到要构建成物品的材料中，大大减少了、优选地消除了失稳过程的机会，该失稳过程通常在红外激光中发生。更好耦合激光能量还允许使用较低功率的激光，这可节省资金成本或使多激光系统具有成本效益。更好的耦合还可提供更好的控制，更高的容差，进而提供构建物品的更高可复制性。IR激光和IR激光增材制造操作不具备的这些特征，对于电子产品、微机械系统、医疗组件、引擎组件和蓄电领域产品等产品是非常重要的。

示例8

在一种实施方式中，使用以CW模式操作的蓝色激光器。在许多增材制造应用中，CW操作能比短脉冲激光器更优选，因为它具有快速调制激光输出并在反馈回路中控制构建过程的能力，从而能实现高度可重复的过程具有最佳的机械和其他物理和美学特性，例如降低的表面粗糙度，改善的孔隙率和改善的电特性。

示例9

优选地，在一些实施方式中使用对正在构建的物品的主动监视来检查物品的质量以及增材制造过程和系统的效率。例如，当激光正在处理待打印部件的高分辨率区域时，可使用热摄像机来监视表面的平均温度，并且可使用反馈回路来降低或增加激光功率以改善熔池和最终的部件表面质量。类似地，当激光束散焦以扫过部件的较大的低分辨率区域时，反馈回路可命令更多的激光功率将平均温度保持在最佳处理点，从而大大减少了打印部件的时间。

示例10

本系统可使用的扫描仪和光学器件的示例包括安装在高速电机上的镜、旋转多面镜或高速电流计。当镜旋转360度时，安装在高速电机的轴上的镜能创建扫描光束。电机的速度越高，扫描越快。这种方法的唯一问题是，一旦随着镜的背面经过了激光束入射孔而镜不再反射光束，就必须关闭激光。高速镜可用于扫描x轴或y轴，无论选择了哪个轴，扫描另一个轴的镜必须以与初始轴中完成一个完整扫描所需的时间成比例的慢速来扫描。优选地，在该轴上使用高速步进电机，以使镜能以离散的步幅移动，而在第一轴完成其扫描时保持静止。类似地，可使用多刻面镜或多面镜来执行高速扫描功能，实现更高的扫描速度，因为当光束跨过镜的每个刻面过渡时，扫描都重置为起始位置。目前超市扫描仪中正使用这些类型的镜子以在产品通过时扫描其条形码。主轴也可用高速电流计型镜扫描，其为谐振型电机并以连续频率振荡，产生光束的高速运动。也可将电流计镜精确地置于预定位置，允许基于第一轴和第二轴为电流计驱动反射镜的系统以矢量模式绘制，从而可通过同时移动两个镜快速解决处理床上的任何点。以“飞行光学器件”型设计来结合安装在平移台上的反射镜也是可行的，在这种设计中，光束通过自由空间传送到安装在机架式系统上的反射镜，并在非常高的速度下以二维的、光栅或矢量模式移动。

示例11

本系统的实施方式不包含也不要求扫描仪来构建对象。

示例12

示例1-11的系统和方法，其中构建激光束的波长选自以下波长之一：蓝色波长范围，400nm，大约440nm，450nm，和大约450nm，460nm和大约460nm，绿色波长范围，515nm，约515nm，532nm，约532nm，以及红色波长范围为600nm至700nm。并且，构造激光束是否具有说明书中陈述的一种或多种光束特性，例如，功率，功率密度，重复率等。

注意，并不要求提供或解决作为本发明的主题或与本发明实施方式相关联的新颖的和开创性的过程、材料、性能或其他有益特征和特性的基础的理论。但是，本说明书中提供了各种理论，以进一步推进该领域的技术。本说明书中陈述的理论，除非另有明确声明外，绝不限制、局限或缩窄要求保护的发明的保护范围。利用本发明不需要或不实践这些理论。还应理解，本发明可指向新的、迄今未知的理论以解释本发明的方法、制品、材料、装置和系统的实施方式的功能特征。并且这种后来发展的理论不应限制本发明提供的保护范围。

应理解，本说明书中使用小标题是为了清楚起见，而不是以任何方式进行限制。因此，在标题下描述的过程和公开内容应该在整个说明书上下文环境中来读，包括各种实施方式。本说明书中小标题的使用不应限制本发明的保护范围。

本说明书中阐述的系统、设备、技术、方法、活动和操作的各种实施方式可用于除在此阐述的那些以外的各种其他活动和其他领域。其中，本发明的实施方式可使用专利申请公开号WO 2014/179345、2016/0067780、2016/0067827、2016/0322777、2017/0343729、2017/0341180以及2017/0341144的方法、装置以及系统，它们每一个的全部公开内容通过引用在此并入。另外，这些实施方式，例如，可用以下设备：将来可能开发出的其他设备或活动；以及根据本说明书的教导可以(部分地)修改的现有设备或活动。此外，本说明书中阐述的各种实施方式可以使用不同和各种彼此结合。因此，例如，在本说明书的各种实施方式中提供的配置可相互使用。例如，具有A、A'和B的实施方式的组件以及具有A”、C和D的实施方式的组件可以以各种结合彼此一起使用，例如，根据本说明书的教导，A、C、D，和A、A”、C以及D等。因此，本发明提供的保护范围不应限于在一种具体实施例、示例中阐述的或在具体附图中的实施方式中阐述的特定实施方式、配置或布置。

在不脱离本发明精神或基本特征的情况下，本发明可以以不同于在此具体公开的内容的其他形式来体现所描述的实施方式在所有方面仅应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (88)

1.一种用于金属的增材制造系统，使用激光和空间光调制器以在熔合到下层的粉末金属层上形成能量图案，使用机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，使用升降器以在每一层被熔合时向下移动部件，并且使用既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室，其中所述空间光调制器为数字微镜装置DMD阵列，所述DMD是风冷的，或通过水热交换器进行水冷却的，或通过珀尔帖冷却器冷却。

2.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为450nm蓝色激光。

3.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围300-400nm的激光。

4.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围400-500nm的激光。

5.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围500-600nm的激光。

6.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围600-800nm的激光。

7.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为800nm-2000nm范围中的红外激光。

8.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光通过光导管或微透镜匀化器被均化。

9.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光能在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用。

10.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述空间光调制器能够处理数瓦至数千瓦功率级。

11.如权利要求1所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述DMD是通过微通道冷却器进行水冷却的。

12.权利要求1中的所述增材制造系统，包括用于维持构建室温度的区域性辐射加热器。

13.权利要求1中的所述增材制造系统，包括经加热的构建板。

14.权利要求1中的所述增材制造系统，包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度。

15.权利要求1中的所述增材制造系统，包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板温度。

16.权利要求1中的所述增材制造系统，包括用于确定最佳构建策略的软件。

17.权利要求1中的所述增材制造系统，包括单独的次激光用于仅在图案将被照亮处加热所述粉末床。

18.权利要求1中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于部件构建。

19.权利要求1中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净。

20.权利要求1中的所述增材制造系统，激光-空间调制器组合创建和成像于具有数千瓦功率密度的粉末床上。

21.一种用于金属的增材制造系统，使用激光和空间光调制器在被熔合到下层的粉末金属层上形成图案，其借助于第二激光以预热粉末床，使用机架系统在整个所述粉末床上步进并重复图像，使用升降器以在每一层被熔合时向下移动部件，并且使用既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室，其中所述空间光调制器为数字微镜装置DMD阵列，所述DMD是风冷的，或通过水热交换器进行水冷却的，或通过珀尔帖冷却器冷却。

22.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为450nm蓝色激光。

23.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围300-400nm的激光。

24.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围400-500nm的激光。

25.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围500-600nm的激光。

26.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围600-800nm的激光。

27.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为800nm-2000nm范围中的红外激光。

28.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光通过光导管或微透镜匀化器被均化。

29.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光能在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用。

30.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为约450nm蓝色激光。

31.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为波长范围300-400nm的激光。

32.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为波长范围400-500nm的激光。

33.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为波长范围500-600nm的激光。

34.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为波长范围600-800nm的激光。

35.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光为800nm-2000nm范围中的红外激光。

36.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光通过光导管或微透镜匀化器被均化。

37.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述第二激光能在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用。

38.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述空间光调制器能够处理数瓦至数千瓦功率级。

39.如权利要求21所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述DMD是通过微通道冷却器进行水冷却的。

40.权利要求21中的所述增材制造系统，包括用于维持构建室温度的区域性辐射加热器。

41.权利要求21中的所述增材制造系统，包括经加热的构建板。

42.权利要求21中的所述增材制造系统，包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度。

43.权利要求21中的所述增材制造系统，包括嵌入构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板温度。

44.权利要求21中的所述增材制造系统，包括用于确定最佳构建策略的软件。

45.权利要求21中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于部件构建。

46.权利要求21中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净。

47.权利要求21中的所述增材制造系统，激光-空间调制器组合创建和成像于具有数瓦至数千瓦功率密度的粉末床上。

48.权利要求21中的所述增材制造系统，用于预热的第二激光创建在具有数瓦至数千瓦功率密度的粉末床上重叠空间-滤波器激光系统的图像的区域。

49.一种用于金属的增材制造系统，使用多个激光和多个空间光调制器在被熔合到下层的粉末金属层上形成单个较大图案，使用机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，使用升降器以在每一层被熔合时向下移动部件，并且使用既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室，其中所述空间光调制器为数字微镜装置DMD阵列，所述DMD是风冷的，或通过水热交换器进行水冷却的，或通过珀尔帖冷却器冷却。

50.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为450nm蓝色激光。

51.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围300-400nm的激光。

52.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围400-500nm的激光。

53.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围500-600nm的激光。

54.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围600-800nm的激光。

55.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为800nm-2000nm范围中的红外激光。

56.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光通过光导管、微透镜匀化器或衍射光学元件(DOE)被均化。

57.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光能在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用。

58.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述空间光调制器能够处理数瓦至数千瓦功率级。

59.如权利要求49所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述DMD是通过微通道冷却器进行水冷却的。

60.权利要求49中的所述增材制造系统，包括用于维持构建室温度的区域性辐射加热器。

61.权利要求49中的所述增材制造系统，包括经加热的构建板。

62.权利要求49中的所述增材制造系统，包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度。

63.权利要求49中的所述增材制造系统，包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板温度。

64.权利要求49中的所述增材制造系统，包括用于确定最佳构建策略的软件。

65.权利要求49的所述增材制造系统，包括单独的次激光用于仅在图案将被照亮处加热所述粉末床。

66.权利要求49中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于部件构建。

67.权利要求49中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净。

68.权利要求49中的所述增材制造系统，激光-空间调制器组合创建和成像于具有数千瓦功率密度的粉末床上。

69.一种用于金属的增材制造系统，使用多个激光和多个空间光调制器以在被熔合到下层的粉末金属层上形成图像和非图像的检验板图案，使用机架系统在整个粉末床上步进并重复图像，使用升降器在每一层被熔合时向下移动部件，以及既能散布粉末又能在熔合之前将其压紧的粉末分配系统，以及气密构建室，其中所述空间光调制器为数字微镜装置DMD阵列，所述DMD是风冷的，或通过水热交换器进行水冷却的，或通过珀尔帖冷却器冷却。

70.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为450nm蓝色激光。

71.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围300-400nm的激光。

72.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围400-500nm的激光。

73.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围500-600nm的激光。

74.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为波长范围600-800nm的激光。

75.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光为800nm-2000nm范围中的红外激光。

76.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光通过光导管、微透镜匀化器或衍射光学元件DOE被均化。

77.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述激光能在多个打印头或多个打印机系统之间分时共用。

78.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述空间光调制器能够处理数瓦至数千瓦功率级。

79.如权利要求69所述的一种用于金属的增材制造系统，其中的所述DMD是通过微通道冷却器进行水冷却的。

80.权利要求69中的所述增材制造系统，包括用于维持构建室温度的区域性辐射加热器。

81.权利要求69中的所述增材制造系统，包括经加热的构建板。

82.权利要求69中的所述增材制造系统，包括高温计或FLIR摄像机以监测或控制构建板温度。

83.权利要求69中的所述增材制造系统，包括嵌入在构建板中的热电偶或RTD以监测或控制构建板温度。

84.权利要求69中的所述增材制造系统，包括用于确定最佳构建策略的软件。

85.权利要求69的所述增材制造系统，包括单独的次激光用于仅在图案将被照亮处加热所述粉末床。

86.权利要求69中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于部件构建。

87.权利要求69中的所述增材制造系统，使用惰性气氛用于保持系统中光学器件的洁净。

88.权利要求69中的所述增材制造系统，激光-空间调制器组合在具有数千瓦功率密度的粉末床上创建图像。

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