CN114160813A - 可见光激光增材制造 - Google Patents
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Abstract
用于增材制造、焊接、接合和其他激光加工应用的高分辨率系统。蓝色激光系统，用于增材制造、焊接、接合和其他激光加工应用以及材料增材制造的操作。
Description
分案申请说明
本申请是申请日为2017年04月28日，申请号为201780040965.5，发明名称为“可见光激光增材制造”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年4月29日提交的美国临时申请序列号62/329,786的申请日的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。
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，包括使用波长为约350nm至约700nm的激光束的激光增材制造过程。
背景技术
基于红外线(IR)(例如，具有大于700nm的波长，并且特别是波长大于1,000nm)的增材制造系统尤其受到两个缺点的限制，这两个缺点限制了构建体积和建构建速度。在这些IR系统中，构建体积受到扫描系统的有限尺寸和可以为给定焦距准直器和f-θ透镜生成的光斑的限制。例如，当使用14mm焦距准直器和500mm F-θ焦距镜头时，对于衍射受限的IR激光束，光斑尺寸约为50μm。这在原始构建材料(例如，大约85mm×85mm的粉末床)上给出了可寻址的覆盖区，其反过来对于给定的分辨率(例如，光斑尺寸)产生或建立对构建体积的有限限制。IR激光系统的构建速度的第二个限制是材料对激光束吸收。大多数原始构建材料对红外光谱中的波长具有适度到低的反射率。由此，红外激光能量耦合到原始构建材料(例如粉末床或颗粒)中受到限制，其中大部分能量被反射离开、向后或更深地进入原始构建材料。这些限制进一步联系或联系在一起，使IR增材系统的问题和缺陷更加复杂。因此，红外激光的有限穿透深度决定了最佳的层厚度，因此限制了该过程的分辨率。因此，IR激光系统由于其对典型的原始构建材料的反射性而具有有限的层厚度并因此具有有限的分辨率。
如这里所用的，除非另有明确说明，否则“UV”，“紫外线”，“UV光谱”和“光谱的UV部分”和类似术语应当给出它们最广泛的含义，并且包括光波长为约10nm至约400nm，以及10nm至400nm。
非另有明确说明，否则本文所用的术语“可见”，“可见光谱”和“光谱的可见部分”和类似术语应给出它们最广泛的含义，并且包括波长为从约380nm至约750nm，以及400nm至700nm。
如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”，“蓝色激光”和“蓝色”应给出它们最广泛的含义，并且通常指的是提供激光束、激光束、激光源的系统。例如，激光器和二极管激光器，其提供例如传播激光束或波长为约400nm至约500nm的光。
如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”，“绿色激光”和“绿色”应给出其最广泛的含义，并且通常指的是提供激光束、激光束、激光源的系统。例如，激光器和二极管激光器，其提供例如传播激光束或波长为约500nm至约575nm的光。
通常，除非另有说明，否则本文所用的术语“约”意指包括±10％的变化或范围、与获得所述值相关的实验或仪器误差以及优选地是这些中的较大者。
本发明背景技术部分旨在介绍本领域的各个方面，其可以与本发明的实施例相关联。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，并且不应被视为对现有技术的承认。
发明内容
本发明利用IR增材制造系统和过程解决了这些问题，并且解决了这些和其他长期需求，以及随着增材制造过程和系统实现更大普遍性的未来需求。本发明尤其通过提供本文教导和公开的制品、装置和方法来解决这些问题和需求。
由此，提供了一种蓝色激光系统，该系统具有能够传播蓝色激光束的蓝色激光源；与所述蓝色激光源进行光通信的X-Y扫描系统，所述X-Y扫描系统能够将蓝色激光束导向并扫描到可寻址区域；以及，容纳可寻址区域的外壳。
进一步地，提供了具有以下特征中的一个或多个的系统、装置和方法：具有电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件沿着所述激光束路径在多个位置之间移动，从而所述电子可调透镜系统能够在运行中聚焦以模拟F-θ透镜的性能；具有F-θ透镜和电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件，其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件沿着所述激光束路径在多个位置之间移动，由此所述电子可调透镜系统能够补偿所述F-θ透镜系统的场曲率；以及具有电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件，第二光学元件和第三光学元件，其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件沿着所述激光束在多个位置之间移动，由此所述电子可调透镜系统能够在扫描激光束时调节激光束直径。
进一步地，提供了具有以下特征中的一个或多个的系统、装置和方法：所述可寻址区域的面积在约100mm×100mm至约200mm×200mm的范围内；所述可寻址区域的面积在约100mm×100mm至约300mm×300mm的范围内；所述可寻址区域为可寻址体积，其面积在约100mm×100mm×100mm至约200mm×200mm×200mm的范围内；所述可寻址区域的面积在约100mm×100mm至约300mm×300mm的范围内；所述可寻址区域为可寻址体积，其面积在约100mm×100mm×100mm至约300mm×300mm×300mm的范围内；所述可寻址区域为可寻址体积，其面积在约100mm×100mm×100mm至约800mm×400mm×500mm的范围内；所述蓝色激光系统能够执行焊接金属、切割金属、切割非金属和焊接电子元件中一种或多种激光操作；所述蓝色激光系统能够进行激光操作；所述激光操作包括焊接金属、切割金属和切割非金属。
进一步地，提供了一种蓝色激光系统，该系统具有能够传播蓝色激光束的蓝色激光源；与所述蓝色激光源进行光通信的X-Y扫描系统，所述X-Y扫描系统能够将蓝色激光束导向并扫描到可寻址区域；以及，容纳可寻址区域的外壳；电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件沿着所述激光束路径在多个位置之间移动；由此，所述电子可调透镜系统能够将蓝色激光束聚焦到具有蓝色激光束光斑尺寸的光斑上；由此所述可寻址区域界定一个区域；由此，所述可寻址区域的面积比红外激光束的可寻址区域的面积大2倍，所述红外激光束的红外激光束光斑尺寸与所述蓝色激光束光斑尺寸相同并且沿着相同的激光束路径传播通过所述系统。
进一步地，提供了具有以下特征中的一个或多个的系统、装置和方法：控制器能够根据可寻址区域的大小调整所述激光束的直径；并且，其中所述制器能够调节所述激光束的功率以将焊接熔池保持在预定温度；具有能够监测熔池温度并向控制系统提供反馈信号的高温计；由此，所述系统能够将所述熔池保持在预定温度；具有能够监测熔池的温度的热成像仪；控制系统，具有能够确定熔池的尺寸和温度的图像处理系统；其中所述热成像仪能够向控制系统提供熔池温度和尺寸信息；由此，所述控制系统能够将所述熔池保持在预定的尺寸和温度；摄像机能够监测所述熔池的尺寸和形状，从而提供信息以确定维持预定的熔池尺寸和稳定性所需的激光功率和光斑尺寸；所述扫描蓝色激光系统能够处理非金属；所述扫描蓝色激光系统能够标记金属；所述扫描蓝色激光系统能焊接金属。
进一步提供了一种执行高分辨率激光3-D激光增材制造的方法，该方法具有步骤：在激光构建室中提供构建材料；产生单模蓝光激光束，其M2为1.5或更小，功率大于100W；沿着激光束路径引导所述单模蓝光激光束，所述激光束路径延伸到光学处理组件中并穿过光学处理组件并到达构建材料；以预定的脉冲速率和预定的扫描速率脉冲和扫描激光束，其中预定的脉冲速率足以将构建材料连接成构件而不烧蚀构建材料；以及，由此，所述方法的分辨率小于75μm
进一步地，提供了具有以下特征中的一个或多个的系统、装置和方法：所述分辨率小于50μm或更小；所述分辨率小于5μm或更小；所述激光束具有约200W的功率；所述光学处理组件包括用于扫描所述激光束的装置、用于准直所述激光束的装置以及用于聚焦所述激光束的装置；所述用于准直所述激光束的装置包括14mm焦距透镜；所述用于扫描所述激光束的装置包括x-y扫描仪；所述x-y扫描仪包括高速检流计；所述用于聚焦所述激光束的装置包括1.2米焦距透镜；构建材料上的脉冲激光束的光斑尺寸截面为50μm，影响水平高达10MW/cm2；激光束功率约为200W，激光束脉冲率约为100kHz，激光束扫描速率约为5m/sec；激光束功率约为200W，激光束脉冲率约为1MHz，激光束扫描速率约为50m/sec；光束功率约为200W，激光束脉冲率约为100kHz，激光束扫描速率约为5m/sec；激光束功率约为200W，激光束脉冲率约为1MHz，激光束扫描速率约为50m/sec；所述光学处理组件包括用于扫描激光束的装置和F-θ透镜
一种执行高分辨率激光3-D激光增材制造的系统，，该系统具有蓝色激光，能够产生单模蓝色激光；激光束路径，所述激光束路径从蓝色激光器延伸进入并通过光学处理组件并到达构建区域；所述光学处理组件包括激光扫描和聚焦系统；所述构建区域能够容纳构建材料；用于以预定脉冲速率脉冲激光束的装置；其中，在将所述脉冲激光束输送到所述构建材料时，该系统能够以一定速率扫描所述脉冲激光束，由此所述构建材料将被连接成构建而不会烧蚀构建材料；所述构建的分辨率小于75μm。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的蓝色激光系统和过程的示意图。
图2为根据本发明一实施例的示意图。
图3A和3B为根据本发明一实施例处于不同透镜位置的透镜系统的示意图。
图4是根据本发明一实施例的3-D激光打印系统的示意图
图5是根据本发明一实施例的3-D激光打印系统的示意图。
具体实施方式
通常，本发明涉及材料的激光加工，通过将预选的激光束波长与待处理的材料进行匹配以使得材料具有高或增加的吸收率水平，特别是通过启动原始材料利用具有高吸收率激光束将原始材料制成大型结构、零件、部件和制品的激光增材制造。
本发明的一个实施例涉及使用具有可见激光束的激光束，特别是具有350nm至700nm波长的激光束，在增材激光制造过程中，以及在增材激光制造系统中，由原始材料，例如，例如起始粉末、纳米颗粒、颗粒，小球、床、粉末床、喷雾粉末、液体、悬浮液、乳液及其组合和变化的原料，以及在包括3D打印技术的激光增材制造领域中已知或以后开发的其他起始材料)构建制品(例如，结构、装置、组件、部件、薄膜、体积形状等)。
用激光增材过程中将原始材料制成制品的实施例中，采用对于起始原料具有较低反射率、高吸收性并且优选为两者的波长。特别地，在一个实施例中，基于起始材料预先确定激光束波长，该起始材料优选具有约30％或更多、约40％和更多、约50％和更多、和约60％和更多，在30％至65％范围内、30％至50％范围内、约40％至约50％范围内的吸收率。特别地，在一个实施方案中，基于起始材料预先确定激光束波长，该起始材料优选具有约97％和更低，约60％和更低、约30％和更低、70％-20％范围内、在80％至30％的范围内，并且在约75％至约25％的范围内的反射率。在一实施例中，可以存在这些高吸收和这些低反射率的组合。在所述系统和过程的优选实施例中，具有约400nm至约500nm波长的激光束用于通过由金、铜、黄铜、银、铝、镍、合金这些金属以及其他金属、非金属、材料和合金及其组合和变体构成的起始材料构建制品。
优选地，将蓝色激光，例如，约405nm至约495nm波长，应用于增材制造制品，增材制造制品由金、铜、黄铜、镍、镀镍铜、不锈钢和其他材料、金属、非金属以及合金制成。蓝色激光束在室温下被这些材料高度吸收，例如，吸收率大于约50％。本发明的几个优点之一是预选波长激光束(例如蓝色激光束)的能力，其能够在激光操作(例如，增材制造过程)期间更好地将激光能量耦合到材料中。通过将激光能量更好地耦合到制品中的材料，通常可以大大减少并且优选地消除在随红外激光器发生的反射离开过程。激光能量的更好耦合还允许使用更低功率的激光器，这节省了资金成本或使多激光系统符合成本效益。更好的耦合还提供更好的控制、更高的容差，从而提高了制品的可重复性。这些特征在红外激光器和红外激光增材制造操作中是找不到的，这对于电子、微机械系统、医疗组件、发动机组件和电力存储领域的产品以及其他产品是重要的。
在一实施例中，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操作优于脉冲激光器，由于其能够快速调制激光输出和控制反馈回路中的构建过程，从而实现具有最优机械和其他物理和美观属性的高度可重复过程，例如降低的表面粗糙度，改善的孔隙率和改善的电特性。
优选地，在一些实施例中，通过对正在构建的制品进行主动监测以检查制品的质量和增材制造过程和系统的效率。例如，当激光处理正在打印的部件的高分辨率区域时，可以使用热像仪监视表面的平均温度，并且可以使用反馈回路来减小或增加激光功率以改善熔池并最终改善构件的表面质量。类似地，当激光束散焦以扫过构件的大低分辨率区域时，反馈回路可以命令更多的激光功率以将平均温度保持在最佳处理点，从而大大减少了打印构件的时间。
在优选实施例中，蓝色激光器和激光束(例如，400nm至500nm，优选450nm至495nm，应理解为可以使用绿色激光器，并且通常可以使用小于约700nm的波长)用于增材制造系统和过程。蓝色激光器在激光能量的耦合效率、光束在粉末床上的占地面积以及最终的打印过程的速度方面提供了显着的改进。当产生相同的光斑尺寸时，蓝色激光系统能够寻址粉末床表面上超过红外系统的2倍(例如，900nm和更大)的区域。该改进在图1的示意图中示出。例如，蓝色激光系统可以产生与红外激光(50mm)相同尺寸的光斑，但焦距更长的透镜(1190mm焦距透镜)可产生200mm x 200mm的可寻址体积。对于打印机中更深的升降机系统，蓝色系统将能够构建超过红外激光器可实现尺寸8倍的构件。
因此，本系统的实施例允许构建比激光器箱的百分或系统内的可工作区域的百分比明显更大的制品。除非另有明确说明，否则系统内的可工作区域被定义为其中自由空间内的激光束路径(即，离开激光器或扫描头/窗口/喷嘴的光束)可以接触起始材料的区域。因此，本发明的蓝色激光系统的实施例允许构建制品，该制品填充可工作区域的约50％或更多，可工作区域的约60％或更多，可工作区域的约70％或更多，以及约80％或者更多的可工作区域以及约50％至约80％之间的可工作区域。
本系统和过程的实施例相比于IR系统，其允许成品的顶部更接近自由空间内激光束路径的起始。因此，更大百分比的激光束路径可用于制造目的。例如，本系统的实施例可以使用约50％或更多，约60％和更多，约70％和更多，约80％和更多，以及约50％至约80％用于制造的激光束路径，例如激光束路径与起始材料、制品或两者接触。
参见图1，示出了本发明的蓝色激光系统的实施例的示意流程图。图1还示出了当两个系统的光斑尺寸相同时，蓝色激光系统实现的扫描体积相对于红外激光源可实现的扫描体积之间的对比。图1中所示的蓝色激光增材制造系统100示出了系统的基本部件，其可用于增材制造，但也可用于标记、远程接合、远程焊接和远程切割等。因此，在增材制造系统100的实施例中，存在用于传播蓝色激光束的激光系统101。激光系统101与光纤102进行光通信，光束传送到光学传送组件103。以这种方式，光纤102使得激光系统101与光学传送组件103进行光通信。光学传送组件103具有准直光学器件104和可移动光学器件105。在离开输送光纤后，激光束被单透镜准直。在准直器之后，可以使用电子可调焦点偏移补偿器来校正来源于F-θ透镜的粉末床上的任何场曲率。(在图3中示出了简单焦点偏移补偿器的实施例，其中通过移动第二透镜来改变光束的准直，其可以如图1的实施例的系统一起使用。)系统100具有x-y扫描系统106，并且在x-y扫描仪之后具有F-θ透镜130。蓝色激光系统100产生可扫描区域108的覆盖区，例如可由激光束光斑扫描的区域。在图1中，基于比较的目的，示出了IR系统可扫描区域107，其通过使用与蓝色激光系统相同的光斑尺寸获得。在该图中，IR激光束路径111IR和IR激光束112IR叠加在(用于比较目的)蓝色激光束路径111和蓝色激光束112上。因此，用于蓝色激光束系统的可扫描区域108为IR激光系统可扫描区域107的两倍，两个系统具有相同的光斑尺寸，箭头109示出了蓝色激光系统产生与IR系统相同的光斑尺寸，但与聚焦透镜的距离超过两倍。在图1的实施例中，F-θ透镜130位于扫描仪106之后。因此，在路径和光束离开扫描仪106之后，F-θ位于激光束路径111和激光束102中。图1的系统的实施例可以取决于F-θ透镜-扫描仪组合的特性，这可能会影响透镜系统可以处理的场尺寸和激光功率。
参见图2，示出了本发明的蓝色激光系统的实施例的示意流程图。图2还显示了当两个系统的光斑大小相同时，蓝色激光系统可以实现的扫描体积相对于红外激光系统可以实现的扫描体积的对比。图2的系统的实施例避免了对呈现于图1的实施例中的F-θ透镜-扫描仪组合的特性的依赖。在图2中，消除了F-θ透镜，现在激光束通过快速可调聚焦透镜系统聚焦，该聚焦透镜系统使用聚焦透镜代替F-θ透镜，且该焦透镜在扫描仪之前。(也可以使用图3的实施例)。由此，在增材制造系统200的实施例中，呈现用于传播蓝色激光束的激光系统201。激光系统201与光纤202进行光通信，以便将激光束传送到光传送组件203。以这种方式，光纤202使得激光系统201与光传输组件203进行光通信。光学传送组件203具有准直光学元件204和可动光学元件205。系统200具有x-y扫描系统206。激光束和激光束路径离开x-y扫描仪，处于自由空间中，并且向目标例如起始材料行进或定向。蓝色激光系统200产生可扫描区域208的覆盖区，例如，可被激光束光斑扫描的区域。在图2中，为了进行比较，示出了IR系统可扫描区域207，其通过使用与蓝色激光系统200相同的光斑大小获得。在这个图中，IR激光光束路径211IR和红外激光光束212IR叠加在(为了比较)蓝色激光光束路径211和蓝色激光光束212上。因此，在两个系统的光斑大小相同的情况下，蓝色激光系统的可扫描区域208是红外激光系统的可扫描区域207的两倍。箭头209说明蓝色激光系统产生与IR系统相同的光斑大小，但是与聚焦透镜的距离超过两倍。
聚焦透镜系统220类似于变焦光学系统，因为中心透镜可以是正或负元件，其通过快速物理移动以调节透镜系统的焦距。光束的这种聚焦与X-Y扫描系统的激光束扫描同步，以模拟通过F-θ透镜系统扫描的激光束的平场特性。因此，聚焦系统220和扫描仪206与系统200上的控制器或控制系统同步和控制通信。这要求电控聚焦元件足够快以跟上X-Y扫描，这可以通过高速伺服系统来实现。
参见图3，示出了简单焦点偏移补偿器的实施例，其中通过移动第二透镜来改变光束的准直。这种简单的焦点偏移补偿器可以与本发明的蓝色激光增材系统的实施例，以及其他增材系统和其他激光操作、处理或输送装置一起使用。
图3A示出了位于产生最小光斑尺寸的位置的光学系统300。以及，图3B示出了位于产生最大光斑尺寸的位置的光学系统300。
系统300可以包括50mm焦距第一透镜301，12mm焦距第二透镜302，其可在第一位置302a和第二位置302b之间移动，以及50mm焦距第三透镜303。系统300具有1000mm的F-θ透镜304。
激光束350进入并穿过透镜301，离开透镜301，激光束350a进入透镜302并穿过透镜302。激光束350b离开透镜302并进入透镜303并穿过透镜303。激光束350c在透镜3030和透镜304之间的激光束路径上具有取决于透镜302的位置的发散度。如图3A所示，激光束350c具有最低的发散度。如图3B所示，激光束350c具有最高的发散度。激光束350d离开透镜304以形成激光束光斑350e。因此，激光束350沿激光束路径351移动，它由透镜沿激光束路径351进行修改，以提供激光束的各种配置，即350a，350b，350c，350d和350e，所有这些都是在激光束路径351上。
因此，透镜302沿着透镜301和303之间的激光束路径351移动并且可沿着激光束路径351定位。
图3A中的光斑350e是最小光斑尺寸，50μm，且图3B是最大光斑尺寸，100μm。透镜302的位置可以位于位置302a，302b之间的任何点，并且光斑尺寸可以是50至100μm的任何尺寸。另外，可以使用不同的功率透镜，并且可以使用不同的布置来提供更大和更小的光斑尺寸，以及更大和更小的光斑尺寸范围。
应注意的是，在图3中，这些图在垂直方向上是不成比例的，以在给定图纸尺寸的约束的情况下，提供由系统300的实施例提供的焦距和光斑尺寸的有效变化的更容易理解的教导。
例如，当镜片处于起始位置时，如图3A所示，激光束的发散最小化，因此光斑尺寸最小化(50μm)，但是当透镜位于最终位置时，如图3B所示，激光束的发散最大化并且光斑尺寸最大(100μm)。系统将被设置为透镜的中间位置，则可移动透镜的相等位移将导致光斑尺寸得到适当校正，无论F-θ透镜304焦距在该点处是更长还是在该点处更短。由于使用F-θ光学元件，因此所需的补偿相对较小，因此透镜的移动量很小。这允许补偿器系统300以非常高的速度操作。此外，焦点偏移补偿器可用于增大粉末床上的光斑尺寸，以便能够更快速地打印部件。
为了打印3-D部件，这些系统优选地具有垂直平移台或升降机，以在打印每层之后将部件降低一定量。此外，起始材料，例如粉末，例如可以通过辊子或刀片散开，并且在打印每层之后和在粉末沉积在印刷区域的边缘之后以常规方式实现。
使用这些系统的远程切割或焊接可以通过这些系统的实施例来实现。用于诸如箔或聚合物的薄材料的切割系统的实施例包括该扫描系统。材料通过高强度激光束自然烧蚀，在材料蒸发时产生大量气体，或者在正在加工的部件上吹气，或者在部件的背面施加真空以除去扫描光束产生的熔融材料。这可以通过在被切割材料上方的过压和在待切割材料下方的模板来实现。类似地，通过切割模板在部件下方抽真空，可以在部件顶部到部件下方产生压差。当激光束经过模上方板时，模板的该区域移除熔融材料。远程焊接要求零件在适当的夹具中，在准确恰当的位置施加压力，并且必须使用适当的保护气体以确保焊接材料在焊接过程中不会氧化。保护气体可以是惰性气体，例如氩气或氩气-氢气混合物，以吸收焊接环境中的任何游离氧气。将蓝色激光器与扫描仪一起使用代表了以非常高的速度焊接和切割材料的能力的重大改进。
用于提供激光束的激光器的一个实施例是用于本系统的200瓦单模蓝光激光器，其M2为1.5或更小，由14mm焦距透镜准直并通过1.2米焦距镜头聚焦在工件上。激光功率可以是100W至约1000W、约100W、约150W、约200W、约1000W、以及约100W至约250W，并且约100W至约750W，更大和更低的功率也可以使用。这产生50μm的光斑尺寸和高达10MW/cm2的影响水平。为了避免烧蚀材料，必须以非常快的速度打开和关闭激光束，这转化为部件的分辨率。例如，如果激光束以100kHz调制并以5m/sec的速率扫描，则写入光束分辨率约为50μm。这是通过在全扫描速度下快速打开和关闭激光束可以实现的空间分辨率。在较高的调制速率下，例如1MHz和短焦距镜头，例如100mm，可以具有5μm的空间分辨率。类似地，对于甚至更短焦距的镜头，使用该激光器达到亚微米空间分辨率是可行的，因为焦斑尺寸与光的波长成正比，并且蓝色激光系统可以聚焦到亚微米光斑尺寸，作为红外激光不能。此外，序列号14/787,393(Devices，Systems and Methods for Three-Dimensional Printing)，序列号14/837,782(Applications，Methods and Systems for Materials Processing withVisible Raman Laser)和序列号62/193,047(Applications,Methods and Systems for aLaser Deliver Addressable Array)中每一个的全部内容所公开和教导的激光系统和激光器通过引用纳入本文件中。
通过激光系统的分辨率以及该方法的分辨率，意味着该系统和方法具有在该分辨率下构建部件或具有在该分辨率下该部件的特征的能力。因此，举例来说，75m分辨率将能够构建最小尺寸为75m的部件，其最小特征为75m，或两者兼而有之。蓝色激光3-D增材制造系统(例如，3-D蓝色激光打印机)的实施例和蓝色激光3-D添加制造方法的实施例具有从大约1μm到大约200μm的分辨率，以及更大，大约1μm至约100μm，约1μm至约50μm，小于约100μm，小于约75μm，小于约50μm，小于约25μm，小于约10μm，小于5μm。该系统既具有大分辨率的性能，例如大于200μm，又具有约1μm至约10μm，1μm至约5μm的非常精细的分辨率。
可与本系统一起使用的扫描仪和光学器件的示例包括安装在高速马达上的镜子、旋转多角镜或高速检流计。当镜子旋转360度时，安装在高速马达轴上的镜子可以产生扫描光束。电机速度越高，扫描速度越快。这种方法的唯一问题是激光必须关闭一次，当镜子的背面经过激光束入射孔时，镜子不再反射光束。高速镜可用于扫描x轴或y轴，无论选择哪个轴，扫描另一个轴的镜子必须以与初始完成一次全扫描所需时间成比例的慢速扫描。优选地，在该轴上使用高速步进电机，以使镜子能够以离散步长移动，同时在第一轴完成其扫描时保持静止。类似地，可以使用多面镜或多角镜来执行高速扫描功能，从而允许更高的扫描速度，因为当光束扫过镜子的每个面时，扫描被重置到起始位置。这些类型的镜子目前正在超市扫描仪中用于扫描产品的条形码。主轴也可以用高速检流计型镜子扫描，该镜子是谐振型电动机并以连续频率振荡，产生光束的高速运动。还可以将检流计镜精确地定位到预定位置，允许基于第一轴和第二轴的系统为检流计驱动镜以矢量模式拖拉，其中通过同时移动两个镜子可以快速地处理床上的任何点。将安装在平移台上的镜子以“飞行光学”型设计进行组合成也是可行的，其中光束通过自由空间传送到安装在龙门式系统上的镜子，并且以非常高的速度在二维、光栅或矢量模式移动。
在该系统和过程的一个实施例中，存在耦合到X-Y扫描系统的蓝色激光系统。
在该系统和过程的一个实施例中，扫描蓝色激光系统包括电子可调透镜系统，以“正在运行的”聚焦激光束并模拟F-θ透镜的性能。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统包括电子可调透镜系统，其用于补偿F-θ透镜系统的场曲率。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统包括电子可调透镜系统，以允许在扫描激光束时“正在运行的”调节激光束直径。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统包括远程焊接金属和非金属材料的功能并且用于远程焊接金属和非金属材料。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统用于远程切割金属和非金属材料。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统是蓝色激光扫描系统，其产生与红外激光源相同的光斑尺寸，但是寻址超过红外激光的面积的2倍以及红外激光的体积的8倍。
在系统和过程的实施例中，扫描蓝色激光系统用于焊接电连接。
应当注意，示意图和示例没有解决或示出像差平衡，因为它们仅仅是对本光学系统的实施例的说明，并且像差补偿可以是并优选地应用于这些系统。
提供以下实施例以说明本激光系统和操作的各种实施方案，特别是用于在电子存储装置中焊接组件的蓝色激光系统。这些例子可以是预言性的，仅用于说明目的，不应视为，并且不以其他方式限制本发明的范围。
实施例1
参见图4，提供了基于蓝色激光的3D打印系统的示意图。蓝色激光增材制造系统400的实施例具有计算机系统401、输出功率高达200瓦的单模蓝色激光源402、光纤403、光学组件404、电子控制的变焦光学系统、XY扫描仪405(例如一对检流计)、粉末床406，将粉末输送到床并使其平整的装置、精密擦拭器409、z轴升降机410、烟雾抽取系统411，该计算机系统401用于使用开源代码或专有软件将计算机辅助设计(CAD)信息转换成切片，并且与系统400的组件进行控制通信(虚线箭头401a)，将粉末输送到床并使其平整的装置，例如粉末分配系统407，其可具有可手动或自动填充的填充口408，精密擦拭器409用于在应用时整平粉末层，z轴升降机410在每层写入时逐渐下降粉末床，烟雾抽取系统411用于提取焊接烟雾以及未熔化的粉末。外壳412(例如，壳体、罩、盖、密封室或其他类似的容器状结构)优选地包含惰性气体或最小氧气环境。光学组件404具有准直光学器件420、三个透镜421,422,423和聚焦光学器件424，其中透镜421可在透镜422和423(光学器件421,422,423构成可调透镜系统425)之间移动，所述聚焦光学器件424为一个1.2毫米焦距镜头。来自扫描仪405的激光束路径413提供170mm×170mm的可寻址区域414。升降机提供170mm的垂直运动，可提供170mm x 170mm米x 170mm的可寻址体积。
该监视设备与计算机系统401进行控制通信。计算机系统优选地可以是控制器、计算机及其组合，具有输入和输出，例如I/O。系统401可以接收和分析来自系统中的传感器和监视器的信息和数据，并将控制信号发送到系统的组件，以控制和调整系统正在执行的激光操作。这种调整将包括扫描速度、束斑尺寸和束功率等。监视器可以是高温计、光谱仪、热电偶、摄像机等等。例如，当执行激光焊接时，可以使用高温计来确定焊接熔池的温度，并且通过将该温度信息提供给控制系统，系统可以控制激光操作以将焊接熔池保持在预定温度。
200瓦激光束通过可调节透镜系统425传送，其中中央负透镜421是唯一被移动的透镜，因此它可以以相对高的速度移动。该系统是50mm焦距第一透镜422，a-12mm焦距第二透镜422和50mm焦距第三透镜423。最终光学器件424可以是1200mm聚焦光学器件，其将根据它在粉末床上的位置聚焦光束。例如，当在粉末床中心寻址区域时，可调节光学器件处于起始点尺寸大约为100μm的位置。这里，从主聚焦光学元件到粉末床的距离处于其最短距离，因此需要较少的准直来将光点聚焦到正确的尺寸。在最大的X-Y范围内，对应于从粉末床中心点的85mm x 85mm点，将光学元件调整到最高的准直度，在镜头的精确焦距处产生正确的光斑。这种情况与粉末床中心的100m相同。以矢量方式或光栅扫描快速扫描图案，以产生焊缝激光束的近似宽度和预定厚度，例如20μm、50μm或100μm。
3-D打印过程包括首先将粉末进料器与正确的粉末混合物一起加载，以获得用于构建的所需合金。将粉末进料器密封，并且此时的外壳可以被抽空并且粉末床/粉末升高到高温以驱除任何湿度。然后根据要进行的方法，用0.5atm，1atm或2atm的惰性气体回填该系统。当系统启动时，粉末分配器将一堆粉末放在粉末床升降板上，精密擦拭器将粉末分布在粉末床上。然后通过计算机控制系统初始化激光器，并沉积第一层去除材料。该材料通常比最终部件更软，以简化部件从构建板的移除。然后在粉末床上扫描由软件确定的图案，直到第一层焊接到构建板上。然后使用升降机使部件下降预定量，该预定量对应于构建的高度，例如20μm，50μm或100μm。然后，粉末分配器将一堆粉末放置在先前的粉末沉积物的顶部，并且整平系统使粉末在床上平整。该过程重复进行，直到处理了与CAD模型相关的所有层和支撑结构。然后将零件从构建室中取出，将松散的粉末从零件中吹出，然后将零件加工成最终的光洁度。这可能包括拆除构建板、加工凸起部、钻孔和攻丝以及翻滚以减少表面粗糙度。在某些情况下，部件也可以进行后热处理，以减轻在构建过程中发生的任何累积应力。
实施例2
参见图5，提供了使用F-θ透镜的基于蓝色激光的3D打印系统的示意图。蓝色激光增材制造系统的实施例具有计算机系统、单模蓝色激光源500、光纤503、可电子控制的可变光束扩展器系统504、XY扫描仪505(例如一对电流计)、F-θ透镜506、粉末床507、输送粉末装置508、整平或擦拭装置509、z轴升降机510和烟雾抽取系统511，该计算机系统使用开源代码或专有软件(图中未示出)将计算机辅助设计(CAD)信息转换成切片，单模蓝色激光源500具有高达200瓦的输出功率，可变光束扩展器系统504具有准直透镜520和光束扩展器系统525，输送粉末装置508将动力传递到床，z轴升降机510在每层被写入时逐渐下降粉末床，以及烟雾抽取系统511用于抽取焊接烟雾以及未熔化的粉末。200瓦激光束通过可调节光束扩展器系统525传送，其中中央负透镜521是唯一被移动的透镜，因此它可以以相对高的速度移动。只有当希望通过F-θ透镜506系统改变正在运行的激光束的光斑尺寸时，才需要该光束扩展器系统525。该可变光束扩展器系统525是50mm焦距第一透镜522，a-12mm焦距第二透镜521和50mm焦距第三透镜523。F-θ透镜506可以是1200mm聚焦光学器件，其具有一个平坦的领域。光束始终从扫描图案的中心到扫描图案的边缘聚焦。但是，如果需要更大的光斑来更快地写入部件的“填充”部分，则可以调整光束准直器以将光束尺寸从标称50μm扩展到75μm，100μm或150μm。还必须增加激光功率以维持稳定的焊接熔池。以矢量方式或光栅扫描快速扫描图案，以产生焊缝，具有激光束的近似宽度和预定厚度，例如20μm、50μm或100μm。该扫描图案可以覆盖100×100mm区域，150×150mm区域或250×250mm区域。部件的高度仅受腔室高度和粉末储存器尺寸的限制。该高度可以是50mm，100mm，150mm，300mm或更大。
3-D打印过程包括首先将粉末进料器与正确的粉末混合物一起加载，以获得所需的用于构造的合金。将粉末进料器密封，并且此时的外壳可以被抽空并且粉末床/粉末升高到高温以驱除任何湿度。然后根据要进行的方法，用0.5atm，1atm或2atm的惰性气体回填该系统。当系统启动时，粉末分配器将一堆粉末放在粉末床升降板上，精密擦拭器将粉末分布在粉末床上。然后通过计算机控制系统初始化激光器，并沉积第一层去除材料。该材料通常比最终部件更软，以简化部件从构建板的移除。然后在粉末床上扫描由软件确定的图案，直到第一层焊接到构建板上。然后通过升降机使部件下降预定量，该预定量对应于构建的高度，例如20μm，50μm或100μm。然后，粉末分配器将一堆粉末放置在先前的粉末沉积物的顶部，并且整平系统使粉末在床上平整。该过程重复进行，直到处理了与CAD模型相关的所有层和支撑结构。然后将零件从构建室中取出，将松散的粉末从部件中吹出，然后将部件加工成最终的光洁度。这可能包括拆除构建板、加工凸起部、钻孔和攻丝以及翻滚以减少表面粗糙度。在某些情况下，部件也可以进行后热处理，以减轻在构建过程中发生的任何累积应力。
实施例3
在实施例中，响应于0-10V或0-5V的模拟输入信号，通过快速关闭激光二极管的电流来脉冲激光束。模拟信号通过运算放大器放大，然后用于基于场效应晶体管线性控制恒流电路。
实施例4
在优选实施例中，预定激光束脉冲速率和扫描速率，使得构建材料熔化或以其他方式连接，而不进行烧蚀。在该实施例的表中提供了非烧蚀温度的实例，例如熔点，其中材料可以连接。
| 金属 | 熔点(℃) |
| 铝 | 660 |
| 铝合金 | 437-671 |
| 铝青铜 | 1027-1083 |
| 黄铜 | 1000 |
| 铬 | 939 |
| 铜 | 1860 |
| 金 | 1063 |
| 哈氏合金C | 1320-1350 |
| 铬镍铁合金 | 1390-1425 |
| 镁 | 650 |
| 镁合金 | 349-649 |
| 镍 | 1452 |
| 铂 | 640 |
| 银 | 961 |
| 碳钢 | 1425-1540 |
| 不锈钢 | 1510 |
| 钛 | 1670 |
| 钨 | 3400 |
实施例5
在该示例的表中提供了不同的最小特征尺寸、扫描速率和调制(例如，脉冲)速率的实施例的说明性关系，假设光斑的50％重叠以实现最小特征尺寸。
通常，吸收率随扫描速率的变化很小甚至没有变化。然而，通常存在热扩散性，这限制了熔池的深度。因此，在更高的扫描速率下，深度最小；在较低的扫描速率下，深度最大。
应当注意的是，不要求提供或解决作为本发明的实施例的主题或与本发明的实施例相关联的新颖和突破性过程、材料、性能或其他有益特征和特性的基础理论。然而，在本说明书中提供了各种理论以进一步推进该领域的技术。除非另有明确说明，否则在本说明书中提出的理论决不限制，限制或缩小要求保护的发明所提供的保护范围。这些理论很多都不需要或实践来利用本发明。进一步理解，本发明可以导致新的，迄今未知的理论来解释本发明的方法，物品，材料，装置和系统的实施例的功能特征；这种后来发展起来的理论不应限制本发明所提供的保护范围。
除了本文阐述的那些之外，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例可以用于各种其他活动和其他领域。另外，这些实施例例如可以用于：将来可能开发的其他设备或活动、并且，基于本说明书的教导，可以部分地修改现有设备或活动。此外，本说明书中阐述的各种实施例可以以不同和各种组合彼此使用。因此，例如，本说明书的各个实施例中提供的配置可以彼此使用；并且，提供本发明的保护范围不应限于特定在特定实施例、示例或特定图中的实施例中阐述的实施例、配置或布置。
在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以不同于本文件具体公开的形式的其他形式实施。所描述的实施例在所有方面都应被视为仅是说明性的而非限制性的。
Claims (16)
1.一种蓝色激光系统，其特征在于，所述系统包括：能够传播蓝色激光束的蓝色激光源；与所述蓝色激光源进行光通信的X-Y扫描系统，其中所述X-Y扫描系统能够将蓝色激光束导向并扫描到可寻址区域；以及，容纳所述可寻址区域的外壳；以及，电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，其中，所述第二光学元件可沿着所述激光束路径在多个位置之间移动，从而所述电子可调透镜系统能够在运行中聚焦以模拟F-θ透镜的性能。
2.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其特征在于，包括F-θ透镜和电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件，其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件可沿着所述激光束路径在多个位置之间移动，由此所述电子可调透镜系统能够补偿F-θ透镜系统的场曲率。
3.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其特征在于，包括电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件，第二光学元件和第三光学元件，其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位，所述第二光学元件可沿着所述激光束在多个位置之间移动，由此所述电子可调透镜系统能够在扫描激光束时调节激光束直径。
4.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其中所述可寻址区域的面积在约100mm×100mm至约200mm×200mm的范围内。
5.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其中所述可寻址区域为可寻址体积，其面积在约100mm×100mm×100mm至约800mm×400mm×500mm的范围内。
6.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其中所述蓝色激光系统能够执行焊接金属、切割金属、切割非金属和焊接电子元件中一种或多种激光操作。
7.如权利要求1所述的蓝色激光系统，其中所述蓝色激光系统能够执行激光操作；所述激光操作包括焊接金属、切割金属和切割非金属。
8.一种蓝色激光系统，其特征在于，所述系统包括：
a.能够传播蓝色激光束的蓝色激光源；与所述蓝色激光源进行光通信的X-Y扫描系统，由此所述X-Y扫描系统能够将所述蓝色激光束沿着激光束路径导向并扫描到可寻址区域；以及，容纳所述可寻址区域的外壳；
b.电子可调透镜系统；所述电子可调透镜系统包括第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；其中所述第二光学元件沿着所述第一光学元件和所述第三光学元件之间的激光束路径定位；其中所述第二光学元件可沿着所述激光束路径在多个位置之间移动；由此，所述电子可调透镜系统能够将蓝色激光束聚焦到具有蓝色激光束光斑尺寸的光斑上；以及从而所述电子可调透镜系统能够在运行中聚焦以模拟F-θ透镜的性能；
c.由此所述可寻址区域界定一个区域；
d.由此，所述可寻址区域的面积比红外激光束的可寻址区域的面积大2倍，所述红外激光束的红外激光束光斑尺寸与所述蓝色激光束光斑尺寸相同并且沿着相同的激光束路径传播通过所述系统。
9.如权利要求1或8所述的蓝色激光系统，其特征在于，还包括控制器，其中所述控制器能够根据所述可寻址区域的大小调节所述激光束的直径；以及，其中所述控制器能够调节所述激光束的功率以将焊接熔池保持在预定温度。
10.如权利要求1或8所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，包括能够监测熔池温度并向控制系统提供反馈信号的高温计；由此，所述系统能够将所述熔池保持在预定温度。
11.如权利要求1所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，包括能够监测熔池的温度的热成像仪；控制系统，所述控制系统具有能够确定熔池的尺寸和温度的图像处理系统；其中所述热成像仪能够向控制系统提供熔池温度和尺寸信息；由此，所述控制系统能够将所述熔池保持在预定的尺寸和温度。
12.如权利要求11所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，包括摄像机，所述摄像机能够监测所述熔池的尺寸和形状，从而提供信息以确定维持预定的熔池尺寸和稳定性所需的激光功率和光斑尺寸。
13.如权利要求8所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，所述扫描蓝色激光系统能够处理非金属。
14.如权利要求8所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，所述扫描蓝色激光系统能够标记金属。
15.如权利要求8所述的扫描蓝色激光系统，其特征在于，所述扫描蓝色激光系统能焊接金属。
16.一种执行高分辨率激光3-D激光增材制造的系统，其特征在于，所述系统包括：
a.蓝色激光器，能够产生单模蓝色激光；
b.激光束路径，所述激光束路径从蓝色激光器延伸进入并通过光学处理组件并到达构建区域；所述光学处理组件包括激光扫描和聚焦系统；所述构建区域能够容纳构建材料；
c.用于以预定脉冲速率脉冲激光束的装置；
d.其中，在将所述脉冲激光束输送到所述构建材料时，所述系统能够以一定速率扫描所述脉冲激光束，由此所述构建材料连接成构件而不会烧蚀构建材料；以及，其中所述构件的分辨率小于75μm。
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