CN114025899B - 用于增材制造系统的光纤连接器 - Google Patents

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Abstract

公开的实施方式涉及增材制造系统。在一些实施方式中，增材制造系统可以包括：多个激光能量源；光学组件，该光学组件构造成将激光能量引导至构建表面上；以及光纤连接器，该光纤连接器定位在多个激光能量源与光学组件之间。第一多个光纤可以在多个激光能量源与光纤连接器之间延伸，并且第二多个光纤可以在光纤连接器与光学组件之间延伸。第一多个光纤中的每个光纤可以在光纤连接器内联接至第二多个光纤中的对应光纤。

Description

用于增材制造系统的光纤连接器
相关申请的交叉引用
本申请根据U.S.C.§119(e)要求于2019年5月28日提交的、序列号为No.62/853,411的美国临时申请的权益，该美国临时申请的公开内容通过参引全部并入本文中。
技术领域
公开的实施方式涉及包括光纤的增材制造系统以及用于在这种系统中使用的光纤连接器。
背景技术
粉末床熔融过程是增材制造过程的示例，其中，通过在逐层过程中选择性地加入材料来形成三维形状。在金属粉末床熔融过程中，一个或多个激光束在金属粉末的薄层上扫描。如果各种激光参数比如激光功率、激光光斑尺寸和/或激光扫描速度处于输送的能量足以融化金属粉末的颗粒的范围中，那么一个或更多个熔池可以建立在构建表面上。沿着预定的轨迹扫描激光束，使得固化的熔池轨道产生与三维印刷部分的二维切片对应的形状。在完成一层之后，粉末表面由限定的距离索引，粉末的下一层被铺散在构建表面上，并且重复进行激光扫描过程。在许多应用中，可以设定层厚度和激光功率密度以提供下层的部分再熔化和连续层的熔融。重复多次进行层索引和扫描，直到制造出期望的三维形状为止。
使用单激光系统和多激光系统两者。一些系统使用一对检流计安装镜来扫描构建表面上所需图案上的每个激光束。一些系统使用运动平台来扫描构建表面上的激光。一些系统使用运动平台和检流计的组合来扫描构建表面上的激光。使用检流计作为扫描方法的部分的系统通常使用f-θ透镜或远心透镜来在给定构建表面尺寸的情况下，帮助保持激光束在构建表面上的入射角尽可能接近垂直。任何激光路径的最终光学部件(例如，最终光学器件、检流计、镜、远心透镜或f-θ透镜)之间的间距可以在几毫米至一百厘米或更大厘米的数量级。
发明内容
在一个实施方式中，增材制造系统包括：多个激光能量源；光学组件，该光学组件构造成将来自多个激光能量源的激光能量引导至构建表面上以在构建表面上形成激光能量光斑的阵列；光纤连接器；以及第一多个光纤，该第一多个光纤在多个激光能量源与光纤连接器之间延伸。第一多个光纤中的每个光纤联接至多个激光能量源的激光能量源。该系统还包括第二多个光纤，该第二多个光纤在光纤连接器与光学组件之间延伸，并且第二多个光纤中的每个光纤在光纤联接器内联接至第一多个光纤中的光纤。
在另一实施方式中，一种更换增材制造系统中的光纤的方法包括将第一多个光纤与光纤连接器断开联接。第一多个光纤在光纤连接器与增材制造系统的光学组件之间延伸。该方法还包括：将第一多个光纤与光学组件断开联接；将多个替换光纤联接至光纤连接器，使得多个替换光纤中的每个替换光纤联接至多个激光能量源的激光能量源，该多个激光能量源联接至光纤连接器；以及将多个替换光纤联接至光学组件。
在另一实施方式中，一种更换增材制造系统中的激光能量源的方法包括将第一光纤与光纤连接器上的第一连接件断开联接。在断开联接之前，第一光纤在多个能量源的激光能量源与光纤连接器之间延伸。该方法还包括将联接至替换激光能量源的第二光纤联接至光纤连接器上的第一连接件。在联接之后，第二光纤联接至在光纤连接器与增材制造系统的光学组件之间延伸的多个光纤中的第三光纤。
应当理解的是，前述概念和下面讨论的附加概念可以以任何合适的组合布置，因为本公开内容在这方面不受限制。此外，当结合附图考虑时，本公开内容的其他优点和新颖特征将从各种非限制性实施方式的以下详细描述中变得明显。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各种图中图示的每个相同的部件或几乎相同的部件可以由相同的数字表示。为了清楚的目的，并非在每个附图中都标记了每个部件。在附图中：
图1是根据一个实施方式的增材制造系统的示意图；
图2是根据一个实施方式的包括光纤连接器内的熔接接头的增材制造系统的示意图；
图3是根据一些实施方式的熔接接头的示意性横截面图；
图4是根据一个实施方式的包括高功率光纤连接器的增材制造系统的示意图；以及
图5是根据一个实施方式的增材制造系统的示意图。
具体实施方式
发明人已经认识并理解的是，增材制造系统比如粉末床熔融系统的制造速度和产量受到粉末材料可以被熔融的速率的限制。材料熔融的速率取决于多种因素，包括在系统的构建体积中传输至粉末材料的总功率以及对粉末材料进行熔融所需要的每单位质量的能量。在一些情况下，比如在利用一个或更多个激光能量源向构建体积传输功率的系统中，可以通过增加一个或更多个激光能量源的功率水平来增加熔融速率。然而，单个激光能量源的功率水平可以增加到的程度受到激光熔合的物理过程限制。例如，当功率水平和扫描速度增加到临界限制以上时，可能发生熔池的瑞利(Rayleigh)不稳定性，从而导致制造零件中的缺陷。因此，发明人已经认识到，许多与增材制造系统相关联的系统包括多个激光能量源，多个激光能量源各自在低于这种临界水平的功率水平下运行。例如，通过增加可以在粉末床熔融过程中同时熔融粉末的激光能量源的数目，可以增加传输至构建体积的总功率，并且因此可以增加熔融的速率。然而，发明人已经理解的是，增加激光能量源的数目可能导致系统的可靠性降低。例如，随着系统中的激光能量源数目的增加，激光能量源和/或激光能量传输机制中的一者或更多者在给定时间段内将发生故障的可能性增加。因此，没有激光能量源和/或激光能量传输机制将在给定的时间段内发生故障的可能性可以大幅降低。在一些情况下，增材制造系统的此类部件的故障可能导致系统的生产率和/或产量降低，和/或制造过程的故障。
另外地，发明人已经理解的是，利用光纤将激光能量从一个或更多个激光能量源传输至构建体积中的粉末的增材制造系统可能会存在额外的挑战。例如，在一些情况下，在增材制造系统中使用的光纤的芯部直径可以在大约10μm与大约50μm之间，并且离开光纤的芯的光的发散角度可以在大约0.3度与大约1.5度之间。这些小的芯部直径和发散角度在将光(例如，激光能量)联接至光纤中以及与光纤断开联接的情况中可能存在挑战，因为联接至光纤中的大部分光需要聚焦至小于芯部直径的光斑上，并且该光需要以小于光纤的发散角度的发散角度聚焦至光纤中。没有适当地聚焦到光纤的芯中的光可能会逃逸到围绕芯的光纤的包覆层中，这可能导致光纤的功率传输效率和/或加热的不被期望的损失。此外，光纤的出射表面必须相对于光纤后面的光学元件(例如，透镜)精确地定位和对准。类似于上述，出射表面相对于这种光学元件的未对准可能导致系统的光学元件或其他部件的功率传输效率和/或加热的不被期望的损失。
在一些情况下，涉及光纤在增材制造系统中的对准和定位的这种严格要求会使激光能量源和/或光纤的更换变得困难和/或耗时。例如，当激光能量源发生故障时，必须将替换激光能量源联接至现有光纤，这需要仔细对准激光能量源与光纤之间的接口。作为另一示例，当包括多个光纤的光纤或光纤线缆发生故障时，故障的光纤或线缆必须被移除，并且替换光纤或线缆必须在多个接口处对准，包括在每个激光能量源与每个光纤之间、以及在每个光纤与增材制造系统(例如，增材制造系统可以构造成将激光能量从光纤引导朝向构建体积内的构建表面)的光学组件之间。
发明人已经认识到并理解的是，用于联接和对准光纤的现有方法可能不能很好地适用于一些增材制造系统，比如包括多个激光能量源的激光粉末床熔融系统。例如，虽然商业上可获得的高功率激光联接器、比如QBH连接器和LLK连接器可以允许单个光纤快速联接至系统的光学组件或者单个光纤与系统的光学组件快速断开联接，但是这些连接器可能不适合，因为激光能量源的数目由于多种原因而增加。首先，连接器的这些类型通常具有比光纤的尺寸大得多的大占用面积；例如，对于大约10μm至50μm数量级的光纤，连接器的凸缘直径可以在大约20mm与50mm之间。因此，增材制造系统即使使用适度数目的激光能量源(例如，大于10个激光能量源)，在增材制造系统中也将需要过大的光学组件，这可能会抑制或阻止光学组件在构建体积内的移动。第二，这种现有连接器通常表现出约1％至3％的传输效率低，并且因此需要冷却(例如，水冷却)以避免过热；这些冷却要求导致每个连接器的附加体积。随着激光能量源的数目进一步增加，比如增加到数百或数千个激光能量源，这种尺寸限制将进一步加剧。此外，常规连接器的这些类型需要在每次将光纤断开联接并重新联接至光学组件时进行手动对准，这将导致制造过程的耗时和大量中断。例如，在制造过程期间对故障的光纤进行更换将需要取消该过程以允许系统的光学组件进入到构建体积内，这可能需要在制造过程期间对保持在构建体积中的期望气体环境(例如，惰性气体环境)进行净化。除了上述内容之外，发明人已经认识到的是，其他类型的现有光纤连接器、比如用于电信和相关应用的光纤连接器被设计成功率水平比增材制造系统所需的功率水平低几个数量级，并且因此这些类型的连接器也不适合用于增材制造系统。
鉴于以上所述，发明人已经认识到并理解与包括大量激光能量源的增材制造系统相关联的许多优点，并且该增材制造系统也便于简单且快速地更换该系统的各种部件，比如激光能量源、光纤和/或包含多个光纤的光纤线缆。例如，本文中描述的系统和方法可以在不明显中断由增材制造系统执行的构建过程的情况下，允许在发生故障时替换这些部件，并且可以减少用于维护替换故障部件所需的系统停机时间。此外，如下文更详细地描述的，在一些实施方式中，本文中描述的系统和方法可以在不需要接近系统的构建体积内的光学组件的情况下便于一个或更多个故障部件、比如激光能量源的替换。在一些情况下，可以在基本上不影响正在进行的制造过程的情况下替换这些故障部件。
在一个实施方式中，增材制造系统可以包括多个激光能量源和光学组件，该光学组件构造成将来自多个激光能量源的激光能量引导至构建表面上。将激光能量暴露于构建表面上的粉末材料可以用于对粉末的至少一部分进行熔融以在构建表面上形成期望的几何形状。在一些情况下，光学组件可以构造成由来自每个激光能量源的激光能量在构建表面上形成激光能量光斑的阵列。例如，光学组件可以构造成引导来自每个激光能量源的激光能量以形成阵列中的一个或更多个对应的激光能量光斑。系统还可以包括光纤连接器，该光纤连接器联接至多个激光能量源中的每个激光能量源和光学组件。例如，第一多个光纤可以在多个激光能量源与光纤连接器之间延伸，并且第一多个光纤中的每个光纤可以联接至多个激光能量源中的对应激光能量源。另外地，第二多个光纤可以在光纤连接器与光学组件之间延伸，并且第二多个光纤中的每个光纤可以在光纤连接器内联接至第一多个光纤中的对应光纤。以这种方式，来自多个激光能量源的激光能量可以经由第一多个光纤传输至光纤连接器，并且随后经由第二多个光纤传输至光学组件，使得激光能量可以传递至构建表面。
在一些实施方式中，光纤连接器的位置可以相对于多个激光能量源的位置固定，并且光学组件可以能够相对于光纤连接器移动(例如，在增材制造过程期间横跨构建表面移动)。以这种方式，在多个激光能量源与光纤连接器之间延伸的第一多个光纤可以保持基本上静止，这可以为第一多个光纤提供提高的可靠性和寿命。在光纤连接器与光学组件之间延伸的第二多个光纤例如借助于其与可移动的光学组件的附接能够相对于光纤连接器移动。发明人已经理解的是，光纤的这种移动在一些情况下可能导致光纤的损坏或故障。然而，如下文中更详细地描述的，在一些实施方式中，可以容易地对第二多个光纤进行更换而无需大量努力来对准光纤。因此，如本文中所描述的包括光纤连接器的增材制造系统可以允许将移动光纤隔离至容易更换的第二多个光纤。
虽然上述实施方式包括在光纤连接器与光学组件之间延伸的可移动第二多个光纤，但是应当理解的是，其他布置结构在一些系统中可能是合适的。例如，一些增材制造系统可以利用在构建体积内基本上固定就位的光学组件，并且该光学组件可以包括一个或更多个部件、比如振镜扫描器，该一个或更多个部件构造成将激光能量引导至构建表面上的期望位置。
根据一些方面，多个光纤(例如，如上所述的第一多个光纤和第二多个光纤)可以分组成光纤线缆，并且线缆内的每个光纤的端部可以对准在对准固定件内。例如，对准固定件可以限定光纤的端部的期望空间分布，并且可以相对于其他光纤轴向地对准每个光纤，使得通过线缆中的光纤传播的光沿着期望方向离开对准固定件。例如，在一些实施方式中，对准固定件可以构造成使得光沿着平行矢量离开每个光纤。此外，在一些实现方式中，对准固定件可以在每个光纤附接至对准固定件后被光学地抛光，使得保持在对准固定件中的光纤的端部沿着平行方向定向。因此，通过执行单个对准操作以将对准固定件与相应部件对准，光纤线缆中的所有光纤可以与增材制造系统的其他部件(例如，光学组件)对准。类似地，如果需要在光纤的两个端部处对准光纤，那么可以在光纤线缆的每个端部处提供对准固定件，使得光纤线缆中的全部多个光纤可以仅使用两次对准操作对准在系统内，而不是对多个光纤中的每个光纤进行单独对准操作。
在特定实施方式中，对准固定件可以包括多个对准特征部、比如v形凹槽或孔，光纤的端部可以结合至或以其他方式附接至该多个对准特征部。根据特定实施方式，对准特征部可以以任何合适的方式进行布置，以对保持在对准固定件中的光纤的端部的期望空间分布进行限定。
根据一些实施方式，光纤连接器可以定位在增材制造系统的封围的构建体积的外部。例如，光纤连接器的这种外部放置可以实现在不需要进入封围的构建体积的情况下替换一个或更多个激光能量源和/或在激光能量源与光学连接器之间延伸的光纤。以这种方式，在替换激光能量源和/或光纤的同时，可以保持构建体积中的期望的气体环境，这可以减少与替换部件相关联的系统停机时间，并且在一些情况下，可以实现在构建过程期间替换部件以及/或者基本上不中断正在进行的构建过程。
另外地，发明人已经理解的是，将光纤连接器定位在构建体积的外部可以允许大型部件或庞大的部件、比如高功率光学连接器和相关联的冷却结构(例如，QBH型连接器和/或LLK型连接器)被定位在构建体积之外，在构建体积之外，重量限制和尺寸限制可以是不太重要的。例如，在一些实施方式中，光纤连接器可以包括多个QBH型连接器和/或LLK型连接器，以允许单个光纤、比如在单个激光能量源与光纤连接器之间延伸的光纤联接至光纤连接器。在其他实施方式中，系统可以不包括这种高功率光学连接器，而是光纤可以经由合适的光学接头结构、比如熔接接头联接至光纤连接器。在这样的实施方式中，与光纤连接件位于构建体积内的系统相比，光纤连接器的外部定位可以有助于更容易地接近接头。
根据一些实施方式，替换激光能量源(例如，故障的激光能量源)的方法可以包括将在激光能量源与光纤连接器之间延伸的光纤与光纤连接器断开联接。例如，将光纤断开联接可以包括将高功率连接器、比如QBH连接器或LLK连接器断开联接，或者可以包括在现有接头、比如熔接接头处切割光纤。随后，联接至替换激光能量源的替换光纤可以例如经由高功率连接器或通过将替换光纤拼接至光纤连接器而联接至光纤连接器。当联接至光纤连接器并对准替换光纤时，如果需要，替换光纤可以例如经由定位在光纤连接器内的合适的光学元件光学地联接至在光纤连接器与增材制造系统的光学组件之间延伸的另一光纤。以这种方式，可以在不需要接近光学组件和/或从增材制造系统的封围件移除光学组件的情况下替换激光能量源。
在其他实施方式中，更换增材制造系统中的一个或更多个光纤(例如，一个或更多个故障光纤)的方法可以包括：将一个或更多个光纤与光纤连接器断开联接，以及将光纤与光学组件断开联接。随后，替换光纤可以联接至光纤连接器和光学组件中的每一者。将替换光纤联接至光纤连接器和光学组件可以包括对准替换光纤的端部以提供与系统的其他部件期望的对准。在一些情况下，替换光纤可以设置在光缆中，这可以包括设置在线缆的端部处的对准固定件。在这样的实施方式中，将替换光纤联接至光纤连接器和/或光学组件可以包括将对准固定件联接至光纤连接器和/或光学组件。如上所述，这种布置结构通过对每个部件进行单次联接和对准操作可以允许许多光纤联接至光纤连接器和/或光学组件并且与光纤连接器和/或光学组件对准。然而，应当理解的是，本公开内容不限于包括对准固定件和/或光纤线缆的系统。例如，在其他实施方式中，单个替换光纤可以直接联接至光纤连接器和/或光学组件并且与光纤连接器和/或光学组件对准。在替换一个或更多个光纤之后，替换光纤中的每个替换光纤可以例如经由光纤连接器内的合适光学元件光学地联接至多个激光能量源中的对应激光能量源。
根据特定实施方式，根据本公开内容的增材制造系统可以包括任何合适数目的激光能量源。例如，在一些实施方式中，激光能量源的数目可以为至少10个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1000个、至少1500个或者更多。在一些实施方式中，激光能量源的数目可以少于2000个、少于1500个、少于1000个、少于500个、少于100个、少于50或少于10个。另外地，上述范围的组合可能是合适的。
另外地，在一些实施方式中，多个激光能量源中的每个激光能量源的功率输出可以在大约50W与大约2000W(2kw)之间。例如，每个激光能量源的功率输出可以在大约100W与大约1.5kW之间，和/或在大约500W与大约1kW之间。此外，多个激光能量源的总功率输出可以在大约500W(0.5kW)与大约4000kW之间。例如，总功率输出可以在大约1kW与大约2000kW之间，和/或在大约100kW与大约1000kW之间。
转到附图，更详细地描述了特定的非限制性实施方式。应当理解的是，关于这些实施方式描述的各种系统、部件、特征和方法可以单独地使用和/或以任何期望的组合使用，因为本公开内容不限于仅在本文中描述的特定实施方式。
图1是包括多个激光能量源102的增材制造系统100的一个实施方式的示意图，多个激光能量源102将激光能量输送至定位在机器封围件106内的光学组件104。例如，机器封围件可以限定构建体积，增材制造过程可以在构建体积中执行。特别地，光学组件可以引导激光能量108朝向定位在机器封围件内的构建表面110以选择性地熔融构建表面上的粉末材料。如下文更详细地描述的，光学组件可以包括多个光学元件，该多个光学元件限定光学组件内的光学路径，该光学组件可以转换和/或成形和/或引导光学组件内的激光能量，使得激光能量作为激光能量像素的阵列被引导至构建表面上。光学组件能够在机器封围件106内移动以在制造过程期间扫描横跨构建表面110的激光能量108。
系统100还包括定位在激光能量源102与光学组件104之间的光纤连接器。如图示的，第一多个光纤114在多个激光能量源102与光纤连接器112之间延伸。特别地，每个激光能量源102经由第一多个光纤114的相应光纤116联接至光纤连接器112。类似地，第二多个光纤118在光纤连接器112与光学组件104之间延伸。第一多个光纤114中的每个光纤116在光纤连接器内联接至第二多个光纤118的相应光纤120。以这种方式，来自激光能量源102中的每个激光能量源的激光能量被传输至光学组件104，使得激光能量108可以在增材制造过程(即、构建过程)期间被引导至构建表面110上。
在一些情况下，激光能量源102和光纤连接器112可以相对于机器封围件106静止。以这种方式，第一多个光纤114的光纤116可以在整个构建过程中保持基本静止，这可以有助于避免光纤和/或光纤的连接件或联接件上的应力，该应力可能导致光纤的故障。第二多个光纤118的光纤120借助于其与可移动的光学组件104的联接能够相对于静止的光纤连接器112移动。虽然这种运动可以将应力施加至光纤和/或光纤的连接件或联接件上，但是本文中所描述的各方面可以便于光纤120的快速且简单的替换，如上文所讨论的以及下文更详细地讨论的。
图2是增材制造系统200的另一实施方式的示意图。与结合图1所讨论的实施方式类似，系统200包括多个激光能量源202，该多个激光能量源202经由光纤连接器212联接至机器封围件206内的光学组件204。第一多个光纤214在激光能量源202与光纤连接器212之间延伸，并且第二多个光纤218在光纤连接器212与光学组件204之间延伸。特别地，第一多个光纤中的每个光纤216联接至激光能量源202并且联接至第二多个光纤218的相应光纤220。在所描绘的实施方式中，光纤216经由光纤连接器212内的熔接接头222联接至相应的光纤220。
此外，第二多个光纤218的光纤220经由对准固定件224联接至光学组件204，对准固定件224构造成限定光纤的期望空间分布以将激光能量引导至光纤组件中。例如，对准固定件可以包括具有多个v形凹槽或孔的块，光纤220中的每个光纤的端部结合至该块。对准固定件可以在单次对准操作中与光学组件对准，以将第二多个光纤218的所有光纤220与光学组件204对准。因此，如果需要或期望的话(例如，如果一个或更多个光纤202发生故障)，可以不需要对每个光纤220(对应于每个激光能量源202)进行单独的对准操作，这可以便于快速替换第二多个光纤218。
另外地，图2描绘了示例性光学元件，该示例性光学元件可以包括在光学组件中以将来自第二多个光纤218的激光能量引导至构建表面210上并且在构建表面上形成激光能量208的期望阵列。例如，光学组件可以包括波束形成光学器件、比如透镜226和228以及镜230，透镜226和228以及镜230可以在光学组件内对激光能量进行成形和引导。在一些实施方式中，透镜226和228可以包括微透镜阵列和物镜中的一者或更多者。例如，微透镜阵列可以布置成准直从每个光纤220输出的激光能量并转变激光能量的波束形状，并且物镜可以布置成限定激光能量的组合阵列的焦距并用于缩小来自微透镜阵列的输出。在一些情况下，这种缩小可以用于调整形成在构建表面上的激光能量的阵列中的激光能量像素的间距。例如，物镜可以布置成缩小阵列，使得相邻像素之间没有间隔。此外，应当理解的是，本公开内容不限于形成在构建表面上的激光能量208的阵列中的激光能量像素的任何特定形状和/或布置结构。例如，该阵列可以是具有规则间隔的激光能量像素的矩形阵列，或者该阵列可以是像素之间具有非均匀间隔的不规则形状。
现在参照图3，更详细地描述了熔接接头300的示例性实施方式，熔接接头300可以用于将光纤联接在光纤连接器内。特别地，图3示出了熔接接头的示意性横截面图，该熔接接头将第一光纤的第一芯部302a联接至第二光纤的第二芯部302b。在一些情况下，熔接接头300可以通过从每个光纤的端部剥离屏蔽层308a和308b(例如，金属屏蔽层)和保护层306a和306b(例如，塑料层)来形成。每个光纤的端部可以使用光纤切割器进行切割，该光纤切割器构造成在垂直于每个光纤的纵向轴线的每个光纤的端部处形成在光学上平坦的表面。每个光纤的切割端部可以例如经由局部加热的应用被挤压成接触并熔融在一起。在熔融之后，包括芯部302a和302b以及芯部周围的包覆层304a和304b的光纤的暴露端部可以被保护套筒310、例如热缩管或机械压接管覆盖。在一些情况下，经由这种熔接接头将两个光纤熔融在一起可以不需要重新对准光纤的另一端部，并且此外，拼接区域可以在光学上与原始光纤无法区分，使得拼接的存在不会影响光纤的光学传输。
在一些实施方式中，熔接接头、比如图3中示出的接头300可以提供引导光的机会，光可以从光纤不被期望地在包覆层304a和304b中传播。这种在包覆层中传播的光可能源于光源与光纤的不对准，使得不是所有的入射光都被引导至芯部302a或302b中。通过将保护套筒的折射率调为小于包覆层304a和304b的折射率，在包覆层中传播的任何光都可以通过保护套筒310被引导离开光纤。在一些情况下，这个光可以引起光纤连接器中的加热，熔接接头形成在该光纤连接器中，并且因此在一些实施方式中，光纤连接器可以包括冷却结构、比如冷却通道，该冷却通道构造成引导冷却的冷却剂流体(例如，水)通过光纤连接器，以将与经由保护套筒在包覆层中传播并被引导离开包覆层的光相关联的热量去除。
现在参照图4，对增材制造系统400的另一实施方式进行更详细地描述。与以上所讨论的实施方式类似，系统400包括多个激光能量源402，多个激光能量源402光学地联接至定位在机器封围件406内的光学组件404。光学组件可以包括光学元件426、428和430，光学元件426、428和430构造成在机器封围件406内的构建表面410上形成激光能量408的阵列。光学组件404经由光纤连接器412联接至激光能量源402。如所图示的，第一多个光纤414在激光能量源402与光纤连接器412之间延伸，并且第二多个光纤418在光纤连接器412与光学组件404之间延伸。特别地，第一多个光纤中的每个光纤416联接至激光能量源402并且联接至第二多个光纤418的相应光纤420，第二多个光纤418的相应光纤420经由位于第二多个光纤418的第一端部处的对准固定件联接至光学组件404。
在该实施方式中，第一多个光纤414中的每个光纤416经由高功率光纤联接器、比如QBH型联接器和/或LLK型联接器联接至光纤连接器412。特别地，每个光纤416的端部附接至联接器438，联接器438接纳在联接至光纤连接器的接纳部436中。通过联接器438离开的光聚焦在第二多个光纤418的光纤420的第二端部上，第二多个光纤418可以保持在联接至光纤连接器的对准固定件424中。例如，光可以经由合适的波束形成光学器件432和434聚焦至光纤中。由于光纤连接器412定位在机器封围件406的外部并且与光学组件404分离，因此与联接器438和接纳部436相关联的任何增加的重量或体积都不会影响光学组件404的操作。
在一些情况下，这种布置结构可以允许简单且快速地替换故障的激光能量源402。例如，故障的激光能量源可以通过下述方式来替换：将位于光纤416的端部处的与故障的激光能量源相关联的联接器438断开联接，并且将与替换激光能量源相关联的联接器438联接在联接器438的位置中。在一些情况下，在替换激光器时，替换联接器438可以与光学连接器组件中的波束形成光学器件432、434对准。
图5描绘了增材制造系统的与上述实施方式类似的又一实施方式。特别地，系统500包括多个激光能量源502，多个激光能量源502光学地联接至定位在机器封围件506内的光学组件504。光学组件可以包括光学元件526、528和530，光学元件526、528和530构造成在机器封围件506内的构建表面510上形成激光能量508的阵列。光学组件504经由光纤连接器412联接至激光能量源502。如所图示的，第一多个光纤514在激光能量源502与光纤连接器512之间延伸，并且第二多个光纤518在光纤连接器512与光学组件504之间延伸。在该实施方式中，第二多个光纤中的每个光纤520定位在光缆536内，光缆536在光纤连接器512与光学组件504之间延伸。此外，第一多个光纤中的每个光纤516联接至激光能量源502并且联接至第二多个光纤518的对应光纤520。包含第二多个光纤518的光缆536经由位于光缆536的第一端部处的第一对准固定件524a联接至光学组件504，并且该线缆经由位于光缆536的第二端部处的第二对准固定件524b联接至光纤连接器512。
另外地，图5中的光纤连接器512包括与第一多个光纤514相关联的第三对准固定件524c，第一多个光纤514在激光能量源512与光纤连接器512之间延伸。该对准固定件可以与光纤连接器内的波束形成元件532和534对准，使得离开第三对准固定件524c的光被引导至保持在第二对准固定件524b中的光纤520的端部中。此外，光纤连接器512可以包括定位在激光能量源502与第三对准固定件524c之间的一个或更多个熔接接头522。以这种方式，故障的激光能量源502可以通过切割其对应的光纤516并形成具有替换激光能量源502的光纤516的熔接接头522来进行替换。如上所述，可以在不需要对准接头内的对应光纤的情况下形成熔接接头，并且由于第三对准固定件524c保持第一多个光纤514的对准，因此这种布置结构可以在不需要任何额外的对准过程的情况下允许更换激光能量源。此外，在一些情况下，光纤连接器512可以包括与熔接接头522相关联的一个或更多个冷却结构(未描绘)。
虽然图1至图2和图4至图5中描绘的实施方式示出了包括三个激光能量源的系统，但是应当理解的是，本公开内容不限于任何特定数目的激光能量源。因此，本文中描述的实施方式可以以多于三个激光能量源、比如几十个、几百个或几千个激光能量源来实现。
本公开内容的各个方面可以单独使用、组合使用或以在前面描述的实施方式中没有具体讨论的各种布置结构使用，并且因此本公开内容的应用不限于前述描述中阐述的或附图中图示的部件的细节和布置结构。例如，一个实施方式中描述的各方面可以以任何方式与其他实施方式中描述的各方面相结合。因此，尽管已经结合各种实施方式和示例描述了本教导，但是并不旨在将本教导限于这些实施方式或示例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代、改型和等同方案。因此，前述描述和附图仅作为示例。
同样，本文中描述的实施方式可以体现为方法，已经提供了该方法的示例。作为该方法的部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建这样的实施方式，其中，以不同于所示顺序的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方式中示出为顺序动作。
此外，一些动作描述为是由“使用者”所采取的动作。应当理解的是，“使用者”不必是单个个体，并且在一些实施方式中，可归因于“使用者”的动作可以由一组个体和/或个体与计算机辅助工具或其他机构相结合来执行。

Claims (21)

1.一种增材制造系统，包括：
多个激光能量源；
光学组件，所述光学组件构造成将来自所述多个激光能量源的激光能量引导至构建表面上，以在所述构建表面上形成激光能量光斑的阵列；
光纤连接器；
第一多个光纤，所述第一多个光纤在所述多个激光能量源与所述光纤连接器之间延伸，其中，所述第一多个光纤中的每个光纤联接至所述多个激光能量源的激光能量源；以及
第二多个光纤，所述第二多个光纤在所述光纤连接器与所述光学组件之间延伸，其中，所述第二多个光纤中的每个光纤在所述光纤连接器内联接至所述第一多个光纤中的光纤，
其中，所述光纤连接器的位置相对于所述多个激光能量源的位置是固定的，并且其中，所述光学组件能够相对于所述光纤连接器移动，并且
其中，所述构建表面和所述光学组件定位在封围的构建体积内，并且所述多个激光能量源和所述光纤连接器定位在所述构建体积的外部。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述第一多个光纤和所述第二多个光纤中的每个光纤能够选择性地替换。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的增材制造系统，其中，所述第二多个光纤定位在线缆内，所述线缆具有联接至所述光纤连接器的第一端部和联接至所述光学组件的第二端部。
4.根据权利要求3所述的增材制造系统，其中，所述线缆的第一端部能够选择性地从所述光纤连接器移动，并且所述线缆的第二端部能够选择性地从所述光学组件移动。
5.根据权利要求3所述的增材制造系统，其中，所述第二多个光纤的所述光纤中的每个光纤的第一端部对准在位于所述线缆的第一端部处的第一对准固定件内，并且所述第二多个光纤的所述光纤中的每个光纤的第二端部对准在位于所述线缆的第二端部处的第二对准固定件内。
6.根据权利要求5所述的增材制造系统，其中，所述第二多个光纤在所述线缆的第一端部和所述线缆的第二端部中的每一者处对准成阵列。
7.根据权利要求1或2中的任一项所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源包括至少10个激光能量源。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源包括至少50个激光能量源。
9.根据权利要求8所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源包括至少100个激光能量源。
10.根据权利要求9所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源包括至少500个激光能量源。
11.根据权利要求10所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源包括少于2000个激光能量源。
12.根据权利要求1或2中的任一项所述的增材制造系统，其中，所述光纤连接器包括一个或更多个冷却通道。
13.根据权利要求1或2中的任一项所述的增材制造系统，其中，所述多个激光能量源中的每个激光能量源的功率输出在50W与2kW之间。
14.根据权利要求13所述的增材制造系统，其中，来自所述多个激光能量源的总功率输出在0.5kW与4000kW之间。
15.一种更换增材制造系统中的光纤的方法，所述方法包括：
将第一多个光纤与光纤连接器断开联接，其中，所述第一多个光纤在所述光纤连接器与所述增材制造系统的光学组件之间延伸；
将所述第一多个光纤与所述光学组件断开联接；
将多个替换光纤联接至所述光纤连接器，使得所述多个替换光纤中的每个替换光纤经由与多个激光能量源联接的所述光纤连接器而联接至所述多个激光能量源的一个激光能量源；以及
将所述多个替换光纤联接至所述光学组件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个激光能量源中的每个激光能量源经由第二多个光纤中的光纤联接至所述光纤连接器，并且其中，将所述多个替换光纤联接至所述光纤连接器包括将所述多个替换光纤中的每个替换光纤在所述光纤连接器内联接至所述第二多个光纤中的光纤。
17.根据权利要求15或16中的任一项所述的方法，其中，所述第一多个光纤构造为光纤线缆，并且所述多个替换光纤构造为替换光纤线缆。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述第一多个光纤的第一端部和所述第一多个光纤的第二端部分别对准在第一对准固定件和第二对准固定件内，所述第一对准固定件和所述第二对准固定件定位在所述光纤线缆的第一端部和所述光纤线缆的第二端部处，以及
所述多个替换光纤的第一端部和所述多个替换光纤的第二端部分别对准在第三对准固定件和第四对准固定件内，所述第三对准固定件和所述第四对准固定件定位在所述替换光纤线缆的第一端部和所述替换光纤线缆的第二端部处。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述第一多个光纤与所述光纤连接器断开联接包括将所述第一对准固定件与所述光纤连接器分离，并且其中，将所述第一多个光纤与所述光学组件断开联接包括将所述第二对准固定件与所述光学组件分离。
20.根据权利要求18或19中的任一项所述的方法，其中，将所述多个替换光纤联接至所述光纤连接器包括将所述第三对准固定件附接至所述光纤连接器，并且其中，将所述多个替换光纤联接至所述光学组件包括将所述第四对准固定件附接至所述光学组件。
21.一种更换增材制造系统中的激光能量源的方法，所述方法包括：
将第一光纤与光纤连接器上的第一连接件断开联接，其中，在断开联接之前，所述第一光纤在多个能量源的激光能量源与所述光纤连接器之间延伸；以及
将联接至替换激光能量源的第二光纤联接至所述光纤连接器上的所述第一连接件，其中，在联接之后，所述第二光纤联接至在所述光纤连接器与所述增材制造系统的光学组件之间延伸多个光纤中的一个光纤。
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