CN116490305A - 高速光阀系统 - Google Patents

高速光阀系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116490305A
CN116490305A CN202180072274.XA CN202180072274A CN116490305A CN 116490305 A CN116490305 A CN 116490305A CN 202180072274 A CN202180072274 A CN 202180072274A CN 116490305 A CN116490305 A CN 116490305A
Authority
CN
China
Prior art keywords
additive manufacturing
light valve
manufacturing system
patternable
laser
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
CN202180072274.XA
Other languages
English (en)
Inventor
弗朗西斯·L·利尔德
詹姆斯·A·德姆斯
安德鲁·J·贝拉米安
苏珊娜·克拉斯
威廉·H·克劳森
克雷格·加文
马修·穆拉奇沃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seurat Technologies Inc
Original Assignee
Seurat Technologies Inc
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 Seurat Technologies Inc filed Critical Seurat Technologies Inc
Publication of CN116490305A publication Critical patent/CN116490305A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45—Two or more
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/277—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED]
    • B29C64/282—Arrangements for irradiation using multiple radiation means, e.g. micromirrors or multiple light-emitting diodes [LED] of the same type, e.g. using different energy levels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/286—Optical filters, e.g. masks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0977—Reflective elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Printers Or Recording Devices Using Electromagnetic And Radiation Means (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种增材制造系统，包括高功率激光器以形成高通量激光束。具有响应电子发射的结构的2D可图案化光阀被定位以接收和图案化从高功率激光器接收的光。

Description

高速光阀系统
相关申请
本公开是要求于2020年10月29日提交的第63/107,310号美国专利申请的优先权权益的非临时专利申请的一部分，该美国专利申请通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开总体上涉及高速光阀系统的操作。更具体地，描述了电子发射和适用于高速操作的新型架构的使用。
背景
能够在高通量下长持续时间操作的高功率激光系统对于增材制造和能够受益于图案化高能激光器的使用的其他应用是有用的。不幸的是，由于光阀的相对较慢的操作，用于增材制造或其他应用的许多现有高功率激光系统不能全速操作。
附图简述
参考以下附图描述了本公开的非限制性的并且非穷举的实施例，其中，除非以其他方式说明，否则在所有各个附图中相似的附图标记指代相似的零件。
图1A示出了用于金属增材制造的高速反射光阀(RLV)的示例；
图1B(i)示出了高速电子束寻址RLV(EBA-RLV)的示例；
图1B(ii)示出了结合电子束阵列的EBA-RLV的实施例的示例；
图1B(iii)示出了结合光电导分离层的EBA-RLV的实施例的示例；
图1C示出了高速直接耦合自发射显示器寻址RLV(e-RLV)的示例；
图1D(i)示出了高速双光电导体LV的示例；
图1D(ii)示出了利用边缘场切换的高速双光电导体LV的示例；
图1E示出了利用平面内切换的高速LV的示例；
图1F(i)和图1F(ii)一起示出了高速LV系统(HSLV单元)100F(i)的架构及其时序100F(ii)的示例；
图1F(iii)示出了用于图1F(i)的高速LV系统的多点LV开关的使用的示例；
图1G示出了使用HSLV单元的阵列的架构的示例；
图2示出了基于高通量光阀的增材制造系统的框图，该增材制造系统支持光束转储场(beam dump)、高速光阀和热力发动机；
图3示出了基于高通量高速光阀的增材制造系统；
图4示出了基于高通量高速光阀的增材制造系统的另一个实施例；以及
图5示出了基于高通量高速光阀的增材制造的另一个实施例，该增材制造结合了用于回收和进一步使用废能量的开关站方法。
详细描述
在以下描述中，参考了形成说明书的一部分的附图，并且其中通过说明其中可实践本公开的具体示例性实施例的方式示出。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践本文公开的概念，并且应当理解，可以对各种公开的实施例进行修改，并且可以利用其他实施例，而不脱离本公开的范围。因此，以下详细描述不被认为是限制性的意义。
在下面的公开中，增材制造系统包括高功率激光器以形成高通量激光束。具有响应电子发射的结构的2D可图案化光阀被定位以接收和图案化从高功率激光器接收的光。
光阀(LV)技术在切换像素速度的能力方面受到限制。在本文讨论的一些描述的实施例中：
在金属增材制造系统(M-AM LV)系统中使用所描述的LV允许通过改变为能够支持快速切换时间的材料(例如LiNbO3、BBO、KDP或K*DP)而在速度上大幅度增加(比传统LV增大1000倍以上)；
在M-AM LV系统中使用所描述的LV允许降低的复杂性，同时允许在帧速度方面(比现有的LV M-AM系统)提高10倍-1000倍以上；
在M-AM系统中使用所描述的LV允许由于在LV系统中使用边缘场切换(FFS)的能力而提高速度，同时降低复杂性。这种降低是由于当使用(比现有的LV M-AM系统)具有4倍-10倍的预期速度增加的边缘场切换时LEOL的厚度减小；
在M-AM LV中使用所描述的LV允许在LV中实现面内切换，由于其LEOL层的厚度减小，其相应的速度增加，这种速度增加类似于边缘场的速度增加(4倍-10倍)，但是复杂性相比FFS中所要求的复杂性降低；
在M-AM LV系统中使用所描述的LV允许在二叉树中使用PI单元，该二叉树具有缓慢图案化的LV，并且在时间上将2N个LV的输出切片成序列，从而导致总帧速度比传统的M-AM LV系统提高为N倍；
在M-AM LV系统中使用所描述的LV允许通过使用固态扫描(SSS)非图案化LV来选择1D或2D缓慢LV的阵列(其速度取决于SSS可以达到的设置角度的数量)，从而提高速度。这样的系统还允许对缓慢图案化LV进行随机存取排序。
图1A示出了用于金属增材制造的速度反射光阀(RLV)100A的示例。RLV(110A)由沉积到光电导体(130A)顶部的顶部透明导电氧化物(TCO，120A)组成。高反射镜(140A)沉积到130A的底部，并且对于990nm-1070nm的光具有>99.9％的反射，而对于265nm-500nm的光具有>75％的反射。对准或阻抗层沉积在140A的内侧上，并被用于与线性电光器件(LEO，160A)接口。另一个对准或阻抗层(170A)用于与160A接口，并附接到沉积在支撑基底(190A)上的底部TCO(180A)。
λ2的低通量图案化写入光束(200A)穿过120A，并且进入130A，导致130A在由120A、130A、140A、150A、160A、170A组成并终止于180A的电路中降低其电阻。该电路由未示出的外部控制器控制。130A中电阻的变化反映了200A中的强度图案，并允许在120A处看到的非图案化电场变成在140A处的图案化场。这种图案化场也施加在160A上，这导致该材料的双折射的变化，如通过进入110A的高通量激光束(HFL，210A)所看到的那样。高通量光束(210A)波长为λ1，并且在其与160A的图案化双折射相互作用之前，通过穿过190A、180A、170A从右向左行进进入110A。160A的图案化双折射在其穿过160A时将200A中的图案施加到210A上。HFL在反射离开140A之前穿过160A和150A，并且在作为220A形式的图案化HFL离开110A之前再次穿过160A、170A、180A和190A。两次穿过160A要求160A是结构化的，使得两次穿过将200A上的图案施加到210A上。因为在两次穿过方法中感受到160A的全部效果，所以它的物理距离可以减少50％以上，从而允许速度比标准透射LV的速度提高4倍以上。图案化的HFL光束(220A)穿过光束图案分离器(230A)，允许期望的图案240A被重新成像到打印室中，同时不想要的图案(为了清楚起见未示出)被发送到光束转储场或开关站系统。
在不存在200A的情况下，未图案化的HFL光束(250A)进入110A并穿过190A、180A、170A、160A、150A，反射离开140A并且在作为未图案化的HLF光束260A离开110A之前再次经过150A、160A、170A、180A和190A。在撞击230A时，它被完全拒绝(作为270A)进入光束转储场或开关站系统，例如稍后关于图5所讨论的。
图1B(i)示出了高速电子束寻址RLV(EBA-RLV)100B(i)的示例。EBA-RLV 100B9(i)由二次发射栅极(115B(i))组成，该二次发射栅极(115B(i))收集从结构化过孔阵列(120B(i))的表面散射的负电荷、来自弹道电荷的从120B(i)发射的负电荷、或者作为120B(i)电压的函数被拉出(pull off)的负电荷。115B(i)允许120B(i)到由电子束定义的电荷“像素”以具有正电荷、中性电荷或负电荷，并且允许像素比没有这种屏幕的那些系统被更好地定义。通过由各向异性基质、通常在微电子技术中用作扇出中间层的硅或聚合物基电过孔阵列、或穿过传导路径的具有类似的微观或纳米观布置的柔性层制成，过孔层(120B(i))可以被结构化，在各向异性基质中片状导电颗粒散布在其整个体积中。附接到120B(i)的是高反射镜(HRM，130B(i))，其对990nm-1070nm的光具有>99％的反射。附接到130B(i)的是对准或阻抗层(140B(i))，其设置线性电光层(150B(i))的取向。附加对准/阻抗层(160B(i))有助于定义150B(i)的取向。透明导电氧化物(TCO，170B(i))终止由115B(i)、120B(i)、130B(i)、140B(i)、150B(i)和160B(i)组成的110B(i)的电路。支撑基底(180B(i))为110B(i)提供稳定性。
在110B(i)中定义像素的电子源由发射自由电子流(200B(i))的电子枪(也可以是隧道电子源、Spindt型冷阴极发射器或类似的电子束生成器)生成。偏转和聚焦结构允许束在“x”(210B(i))和“y”(220B(i))方向上扫过115B(i)的表面，这与115B(i)协作定义了120B(i)中的带电像素和150B(i)两端的变化电压场。将200B(i)的强度与施加在115B(i)上的波形一起调制允许将灰度图像施加在150B(i)上。用于190B(i)的电流和电压控制通过控制线230B(i)从电子束电子器件模块(270B(i))传送到190B(i)。同样地，用于210B(i)和220B(i)的电压波形的控制分别通过控制线240B(i)和250B(i)从由270B(i)控制的260B(i)(X-Y偏转驱动器)传送。此外，270B(i)通过280B(i)控制线控制115B(i)的电压和电流波形。270B(i)由LV电子器件模块(290B(i))控制，LV电子器件模块(290B(i))还通过300B(i)控制线控制170B(i)的电压波形。
110B(i)作为光阀操作要求未图案化的高通量光束(310B(i))通过穿过180B(i)、170B(i)、160B(i)、150B(i)140B(i)并在穿过140B(i)、150B(i)、160B(i)、170B(i)并离开180B(i)之前反射离开130B(i)来进入110B(i)。通过光栅扫描200B(i)在115B(i)和120B(i)上沉积的电荷图像作为电压图像在150B(i)上传输。该电压图像作用在150B(i)上，导致其光学响应变化。150B(i)的光学响应通常是其双折射的变化，但也可以是相位变化、光谱、散射、吸收或反射响应，如通过310B(i)所见。电压图像在150B(i)上施加光学响应图像，310B(i)到150B(i)的双通道将该图像施加到310B(i)上，以将310B(i)改变为图案化的HFL光束(320B(i))。320B(i)从110B(i)中穿出并撞击光束图案分离器(330B(i))，该光束图案分离器(330B(i))将期望的图案图像(370B(i))与不期望的图像分开。期望的图像(370B(i))被中继到打印室，而不期望的图像(未示出)去往光束转储场或开关站系统。
在未图案化的HLF光束(340B(i))进入100B(i)的情况下(其中电子束系统没有呈现图像)，该光不受110B(i)的影响且未被110B(i)图案化，并且作为未图案化的(350B(i))离开，并且在撞击330B(i)时，由于它被发送到光束转储场或开关站系统被转向成360B(i)中。EBA-RLV系统的帧速率可以超过每秒E6帧，并且将可能受到150B(i)的切换时间的限制，而不是受到扫描电子束电子器件的能力的限制。
图1B(ii)示出了结合电子束阵列的EBA-RLV 100B(ii)的实施例的示例。光阀110B(ii)由2D可寻址电子发射器(120B(ii))激活，该2D可寻址电子发射器(120B(ii))在有源矩阵布置中包含单独可寻址场发射器(125B(ii))的行和列。一个这样的发射器(125B(ii))的激活允许电子发射(127B(ii))局部沉积到110B(ii)上，使得生成带电像素(130B(ii))并且影响110B(ii))内的LEO层的修改。120B(ii)的行和列寻址由电子束阵列驱动器(160B(ii))控制，并由控制线140B(ii)(列控制线)和150B(ii)(行控制线)传送到120B(ii)。LV电子器件控制160B(ii)包括经由控制线180B(ii)施加在110B(ii)内部TCO上的电压波形。如图1B中所描述的，进入的未图案化的HFL(190B(ii))进入110B(ⅱ)，并且在电子束像素已经被激活的任何地方作为图案化的HFL(200B(ⅱ))离开。200B(ii)被光束图案分离器(210B(ii))分割成期望的图案化的HFL光束(220B(ii))(其被成像到打印室)以及进入光束转储场或开关站系统的不期望的图案。如果未图案化的HFL光束(230B(ii))进入没有电子束像素被激活的110B(ii)，它将作为未图案化的HFL光束(240B(ii))离开110B(ii)，并被210B(ii)完全拒绝，并作为250B(ii)被引导到光束转储场或开关站系统。2D可寻址EBA-RLV的帧速率受到阵列驱动器的限制(通常为每秒E2帧)。
图1B(iii)示出了EBA-RLV 100B(iii)的实施例的示例，该EBA-RLV100B(iii)在栅极阳极和尖端入口之间结合光电导分离层，并使阴极发射阵列的基部对写入光束透明。这有效地将EBA-RLV转换成光学寻址的EBA-RLV，如110B(iii)所示。在图1B中描述了EBA-RLV(110B(iii))部件。在该实施例中，扫描电子束由光学寻址冷阴极发射器阵列(113B(iii))代替，该发射器阵列(113B(iii))包括将阳极与尖端支撑结构分离的光电导体(120B(iii))。在该实施例中，λ2的图案化写入光束(115B(iii))穿过113B(iii)并激活光电导体125B(iii)，允许125B(iii)正下方的尖端发射电子流(127B(iii))，该电子流(127B(iii))在110B(iii)内产生图案化的带电区域(130B(iii))，该图案化带电区域(130B(iii))反映了115B(iii)中的图案。带电图案将电压从110B(iii)的外部传输到110B(iii)内的LEO层的两端。控制线140B(iii)、150B(iii)和153B(iii)分别控制施加到冷阴极阵列、光电导体阳极层和110B(iii)内的二次发射栅极上的电压波形。电子束阵列电子器件(155B(iii))控制140B(iii)、150B(iii)和153B(iii)上的波形，并与LV电子器件(157B(iii))协同工作，LV电子器件(157B(iii))也控制经由控制线160B(iii)传送到110B(iii)内的TCO的波形。
通过最初使未图案化的HFL光束(170B(iii))进入110B(iii)并经由126B(iii)、127B(iii)和130B(iii)与已经被115B(iii)激活的LEO相互作用，将期望的图案施加到HFL光束上。LEO将与115B(iii)中固有的图案相同的图案施加到170B(iii)上，并且在反射离开110B(iii)的HRM时，作为图案化的HFL光束(180B(iii))离开110B(iii)。图案化的HFL光束(180B(iii))撞击图案分离器(190B(iii))，并且期望的光束(200B(iii))被中继到打印室，而不想要的图案去往光束转储场或开关站系统。如在先前的情况下，未图案化的HFL光束(210B(iii))在未激活的区域中进入110B(iii)，光束反射离开110B(iii)内的HRM，并在仍未图案化的情况下作为220B(iii)离开EBA-RLV，220B(iii)被190B(iii)完全拒绝，并变成230B(iii)进入光束转储场或开关站系统。100B(iii)的优点在于，帧速率取决于115B(iii)和LEO材料可以被切换的速度，并且在LiNbO3作为LEO材料和快速DLP系统作为115B(iii)的源的情况下，100B(ⅲ)被限制到DLP系统中固有的50KHz-100KHz帧速率限制。
图1C示出了高速直接耦合自发射显示器寻址的RLV(e-RLV)100C的示例。RLV(110C)直接耦合到以λ2操作的自发射显示器(130C)。130C和110C之间的光学耦合通过小透镜阵列(120C)、孔径阵列或通过类似的接近聚焦(将130C的表面直接对接耦合到110C内的薄光电导体层)来执行。自发射显示器可以是OLED、LED(作为显示器驱动)阵列、微LED显示器或可以以λ2(在265nm至500nm波段)发射的任何种类的表面发射显示器。由一组像素发射的在130C内形成图案化光束(140C)的光使得光电导体元件直接接触或经由120C耦合，以将110C外部的电压传输到110C内的LEO层两端，并将变化施加到LEO的光学特性，如上所述。自发射显示器由高速显示器驱动器(160C)通过控制线150C控制，而110C由LV电子器件(170C)控制，如前所述。未图案化的HFL光束(189C)进入110C，穿过受150C影响的区域中的LEO层，该区域由140C寻址。由140C施加的图像通过150C在LEO层上的作用被传输到180C，并且当180C从110C内的HRM层反射并穿过LEO层和中间层时，其作为图案化的HFL光束190C离开。通过光束图案分离器(190C)的作用分离出190C中的期望图案(200C)，然后将期望图案成像到打印室。不期望的图案(未示出)反射离开195C，并被成像到光束转储场或开关站系统中。在不存在图案或从130C发射的光的情况下，未图案化的HFL光束210C行进通过110C，并且不会以在LEO的作用下被图案化的方式离开，这是因为不存在来自130C的激活；它作为未图案化的HFL光束(220C)离开130C，并且被195C完全拒绝，并且被成像到光束转储场或开关站系统中作为废光(230C)。100C可达到的帧速率取决于110C内部的LEO层以及130C的切换速度，两者通常都>每秒1000帧。
图1D(i)示出了高速双光电导体LV(DPCLV)100D(i)的示例。DPCLV包括顶部透明导电氧化物(TCO，120D(i))、顶部光电导体层(PC，130D(i))、顶部阻抗/对准层(IML，150D(i))、顶部线性电光层(TLEOL，160D(i))、中间层组(170D(i)，在340D(i)中更详细地示出)、底部LEOL(B-LEOL，180D(i))、底部IML(190D(i))、底部PC层(210D(i))和底部TCO(220D(i))。
DPCLV系统(110D(i))通过都在λ2的两个反向传播的图案化写入光束的双重作用工作，这两个写入光束从右侧(230D(i))和从左侧(240D(i))进入110D(i)。从右侧(230D(i))进入110D(i)的图案化写入光束激活130D(i)，以在130D(i)内形成图案化的电压图像，该图案化的电压图像通过T-LEOL对该图案化的电压变化(270D(i))的响应而被传输到160D(i)中。同样地，从左侧(240D(i))进入110D(i)的图案化的写入光束通过260D(i)和280D(i)执行到B-LEOL中的相同传输。λ1的未图案化的HFL光束(300D(i))进入110D(i)，穿过270D(i)和260D(i)并与270D(i)和260D(i)的图案响应相互作用，通过其与这两个LEOL的相互作用，作为图案化的HFL光束310D(i)离开110D(i)。类似地，在110D(i)的没有被230D(i)和240D(i)图案化的区域中，未图案化的HFL光束(320D(i))穿过110D(i)而不受LEOL的影响，变成330D(i)——仍未图案化的HFL光束。图案化的310D(i)在穿过光束图案分离器(未示出)后被成像到打印床上，其中期望的图像进入该床，而不期望的图案以及330D(i)被拒绝并被成像到光束转储场或开关站系统中，例如关于图5所讨论的。
110D(i)内的中间层组(170D(i))被详细示出为340D(i)。该结构充当160D(i)和180D(i)的中间支撑，并且由中间顶部IML(350D(i))、中间顶部TCO(260D(i))、中间支撑层(370D(i))、中间底部TCO层(380D(i))和中间底部IML(390D(i))组成。
由于LEOL减少到标准透射LV的一半或更少，切换速度可以比标准高速透射LV的切换速度提高4倍以上。
图1D(ii)示出了利用边缘场切换的高速双光电导体LV100D(ii)的示例。边缘场切换LEOL系统使用不同类型的线性电光材料，其中材料的光学特性(特别是其双折射)由电场梯度激活。这些梯度是由于两个相邻激活区域之间的边缘场造成的。边缘场在局部场强度方面通常较高，并且对LOEL具有较大的影响；因此，与正常操作的LV相比，LEOL厚度可以显著减小，而帧速率的增加与厚度减小的平方成比例。在该实施例中，通过使用图1D中引入的双光电导体概念来产生边缘场。边缘场DPCLV的示例在110D(ii)中描绘出，并且由顶部TCO(120D(ii))、顶部光电导体(130D(ii))、顶部IML(140D(ii))、LEOL(150D(ii))、底部IML(160D(ii))、底部光电导体(170D(ii))和底部TCO(175D(ii))组成。
(λ2的)图案化的写入光束180D(ii)从左侧进入110D(ii)，并且在130D(ii)内施加电压图案(200D(ii))。第二图案化的写入光束(携带相同的图像，190D(ii))从右侧进入，并进入110D-I，与180D(ii)共线(略有偏移)并反向传播，并在170D(ii)内施加电压图案(210D(ii))。由两个电压图案(200D(ii)和210D(ii))之间的偏移产生的150D(ii)内的边缘场驱动150D(ii)内的LEO，以产生被描绘为250D(ii)的150D-I内的图案光学响应(为了清楚起见，省略了130D(ii)和170D(ii)内的电压边缘场的细节)。未图案化的HFL光束(240D(ii))进入110D(ii)，并且250D(ii)中的光学响应图案被施加到240D(ii)上，使得在离开110D(ii)时，HFL光束变得图案化(260D(ii))，其中在180D(ii)和190D(ii)两者中包含相同的空间图像。260D(ii)内的期望图案被成像到打印室，而其不期望的图案被成像到光束转储场或开关站系统中，例如关于图5所讨论的。
两个写入光束(180D(ii)和190D(ii))不必携带相同的图像，无论每个通道上呈现的图像如何，都将设置边缘场；在240D(ii)上的响应将如上所述，但是其中在260D(ii)上施加的最终图案将是包含在180D(ii)和190D(ii)中的两个图像的卷积。此外，150D(ii)对由200D(ii)和210D(ii)产生的边缘场的响应取决于两个场在同一时间间隔内存在。180D(ii)和190D(ii)在时间上的重叠提供了附加的速度改进，并且取决于150D(ii)以及两个光电导体(130D(ii)和170D(ii))的弛豫时间(提供了快速LV)。
在存在一个写入光束或不存在两个写入光束(180D(ii)和190D(ii))并且未图案化的HFL光束(270D(ii))进入110D-I的情况下，在150D(ii)中不包含图案光学响应，并且270D(ii)作为未图案化的HFL光束(280D(ii))离开110D(ii)，该未图案化的HFL光束(280D(ii))将被成像到光束转储场或开关站系统中，例如关于图5所讨论的。
图1E示出了利用面内切换的高速LV 100E的示例。LV 110E由顶部TCO(120E)、光电导体(130E)、顶部IML(140E)、LEO层(150E)、底部IML(160E)和支撑基底(170E)组成。150E由对边缘场起反应的材料组成，并且通常是已经垂直对准(VA)的电控双折射液晶(ECB-LC)。面内LC系统可能非常薄，但这种情况要求这类设备中的LC具有非常大的双折射，以允许足够的对比度是可行的。由于基于LC的LV的帧速度随着相比于标称LV的厚度减小的平方而变化，因此帧速度可以比标称大1个-2个数量级。
110E的激活源于两个图案化的写入光束(180E和190E)，这两个写入光束(180E和190E)都以λ2操作并从左侧进入110E，进入130E，其中它们在130E内生成两个电压图案(200E和210E)。200E和210E之间的场干涉图案在刚好经过140E并进入150E的两个图案之间生成面内边缘场(用220E表示)。面内边缘场根据干涉场220E修改150E(230E)内的LEO材料，并在230E内施加光学响应，该光学响应反映180E和190E中包含的图像。
HFL光束(240E)从左侧进入110E，并与由如上所述的两个类似产生的干涉之间的面内切换引起的150E的图案化部分(描绘为250E)相互作用，为了清楚起见，省略其向150E呈现的细节。150E(250E)中的图案光学响应将图案施加到240E上，并且它作为图案化的HFL光束(260E)离开，其中该图案化的期望部分继续到打印室，而不期望的部分进入光束转储场或开关站系统。在一个或两个写入光束都不存在的情况下，未图案化的HFL光束(270E)与未图案化的150E体积相互作用，留下110E仍然未图案化为280E，并被成像到光束转储场或开关站系统中，例如关于图5所讨论的。
图1F(i)和图1F(ii)一起示出了高速LV系统(HSLV单元)100F(i)的架构及其时序100F(ii)的示例。在该示意性布局中，存在高速区域LV(又名PI单元)开关和低速图案化LV，还存在用于实现该架构的支持光学器件，为了清楚起见，省略了该架构。未图案化的HFL光束(110F(i))进入100F(i)，并被PI单元120F(i)切换到两个可能的路径/通道中的一个(130F(i)或240F(i))中。假设120F(i)将进入的110F(i)切换到130F(i)通道中，未图案化的HF(i)L光束进入未图案化的PI单元的第二层(140F(i))，其可以将130F(i)放入两个路径/通道中的一个(150F(i)或者160F(i))中。假设140F(i)被激活，使得130F(i)上未图案化的HFL光束被切换到150F(i)通道中。未图案化的HFL光束150F(i)进入图案化的LV 170F(i)并在时隙t1期间被图案化。图案化的HF(i)L光束离开170F(i)，沿着路径190F(i)行进，在路径190F(i)中它被非图案化的第三层PI单元(210F(i))切换到220F(i)中。图案化的HFL光束沿着220F(i)行进并进入第4层非图案化的PI单元(230F(i))，该PI单元(230F(i))将各种信号汇集到通道340F(i)上，在通道340F(i)上，该图案化的HFL光束在时隙t1中被成像到打印室。
类似地，使未图案化的HFL从110F(i)穿过120F(i)并进入130F(i)、穿过140F(i)并进入160F(i)的路径，允许未图案化的HFL光束在时间t2被图案化的LV 180F(i)图案化。180F(i)的输出沿200F(i)行进到210F(i)中，210F(i)将图案化的HFL光束200F(i)放置到220F(i)上，这再次允许230F(i)在时隙t2中将该图像汇集到340F(i)上以被发送到打印室。
以类似的方式，初始未图案化的HFL光束可以沿着路径240F(i)和260F(i)通过PI单元250F(i)(在时间t3)被发送到图案化的LV 280F(i)。来自280F(i)的图案化的HFL结果沿着300F(i)行进，并沿着路径300F(i)和330F(i)通过PI单元320F(i)和230F(i)(在时隙t3)被汇集到340F(i)中。以类似的方式，通过经由PI单元250F(i)穿过240F(i)和270F(i)，可以在时隙t4中由图案化的LV 290F(i)对未图案化的HFL光束进行图案化。在时隙t4中对从290F(i)(310F(i))输出到340F(i)中的图案化HFL的汇集通过穿过路径310F(i)和330F(i)并穿过320F(i)并最终穿过230F(i)来完成。序列从230F(i)图案化的HFL光束出来，该序列源自在时隙t1、t2、t3和t4中分别由170F(i)、180F(i)、280F(i)和290F(i)放置在该光束上的图案，因此产生了比如果仅使用一个图案化LV可以实现的帧速率高4倍的改进。
时序序列以350F(i)演示，其中360F(i)是120F(i)(PI单元的第一层)的时序序列。PI单元的第二层(140F(i)和250F(i))具有分别在370F(i)和420F(i)中描绘的时序图。缓慢图案化的LV(170F(i)、180F(i)、280F(i)和290F(i))分别具有时序图400F(i)、410F(i)、430F(i)和440F(i)。PI单元的第三层(210F(i)和320F(i))分别具有在380F(i)和450F(i)中描绘的时序图。PI单元的第4层(230F(i))具有在390F(i)中描绘的时序图。在460F(i)中描绘了高速LV系统(通道340F(i))的输出的时序图。比较单独的图案化的LV的帧速率(480F(i))(参见400F(i)时序周围的虚线框)并将其与LV系统的帧速率(虚线框490F(i))进行比较，可以看出，LV系统的帧速率是2层上/下系统的4倍。该架构允许相对于单LV系统的2N倍的速度改进，其中N是系统中在图案化LV之前/之后的PI单元的层数。该架构要求PI单元的切换速度是缓慢图案化LV的切换速度的4倍以上。在100F(i)中描绘的布置是高速二进制开关LV系统的单元。
图1F(iii)示出了图1F(i)的高速LV系统的多点LV开关100F(ii)的用途的示例。单高速多点非图案化的LV开关用于输入门和输出门两者，其馈进/馈出缓慢图案化的LV的1D或2D阵列。未图案化的HFL光束(110F(i))进入多点扫描/凝视LV(120F(i))，并被扫描到被描绘为160F(i)的缓慢图案化的LV阵列中的任何一个。在160F-I的任一侧是棱镜阵列，该棱镜阵列获取成角度的未图案化的HFL(130F(i))并将该HFL拉直，以便优化160F(i)中任何一个图案化的LV的空间分辨率。由于每个图案化的LV位于相对于120F-I的精确位置，所以150F(i)可以是棱镜部件的静态阵列。HFL在穿过另一棱镜阵列(170F(i))之前，在时隙ti由160F(i)内的任何一个图案化的LV图案化。第二棱镜阵列(170F(i))将图案化的HFL光束(180F(i))偏转到第二非图案化的高速多点LV中，该第二非图案化的高速多点LV被设置成将180F(i)重定向到100F(i)的输出通道中，以形成被成像到打印室的图案化的脉冲序列的一部分。虽然130F(i)和180F(i)(分别)表示进入和离开图案LV阵列的第一通道，但是进入和离开该阵列的最后一个通道(分别)由140F(i)和190F(i)表示。
有几种不同的方式用于利用这种布置来执行通道选择，按顺序从第一通道(130F(i)/180F(i))到最后一个通道(140F(i)/190F(i))或其中的任何变化，包括不以130F(i)/180F(i)开始或以140F(i)/190F(i)结束。与标准(单)LV系统的帧速度相比，这种方法的帧速度提高等于120F(i)/200F(i)可以执行的唯一和可控指向方向的数量(M倍)。此外，该方法要求120F(i)/200F(i)比160F(i)中的任何一个缓慢图案化的LV快M倍，其中M等于120F(i)/200F(i)可以达到的唯一可寻址方向的数量。100F(i)的布置是高速多点开关LV系统的单元。
图1G示出了使用HSLV单元阵列的架构100G的示例。注意，虽然示出了使用二进制高速架构(110G)的示意图，但也可以使用多点实施例。二进制切换的LV系统包含非图案化的高速区域LV开关(以120G为例)和缓慢图案化的LV(以130G为例)。在140G中描绘了110G的3D表示，其中150G和160G分别等于120G和130G。在170G中描绘了140G的端视图，其中180G和190G分别等于120G和130G。高速LV系统的该单元可以被排列(200G)，其中210G表示一个这样的单元。170G被排列成200G允许高速LV系统的概念在空间中扩展，以实现高速区域打印引擎、开关站的替代架构(例如关于图5所讨论的)或固态扫描系统。
各种波长的宽范围激光器可以与所描述的相变光阀系统结合使用。在一些实施例中，可能的激光器类型包括但不限于：气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸气激光器、固态激光器(例如光纤)、半导体(例如二极管)激光器、自由电子激光器、气体动态激光器、“类镍”钐激光器、拉曼激光器(Raman laser)或核泵浦激光器。
气体激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦氖激光器、氩激光器、氪激光器、氙离子激光器、氮激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器或准分子激光器。
化学激光器可以包括诸如氟化氢激光器、氟化氘激光器、COIL(化学氧碘激光器)或Agil(全气相碘激光器)的激光器。
金属蒸气激光器可以包括诸如以下项的激光器：氦-镉(HeCd)金属蒸气激光器、氦-汞(HeHg)金属蒸气激光、氦-硒(HeSe)金属蒸气激光器、氦-银(HeAg)金属蒸气激光器、锶蒸气激光器、氖-铜(NeCu)金属蒸气激光器、铜蒸气激光器、金蒸气激光器或锰(Mn/MnCl2)蒸气激光器。也可以使用铷或其他碱金属蒸气激光器。固态激光器可以包括诸如以下项的激光器：红宝石激光器、Nd:YAG激光器、NdCrYAG激光器、Er:YAG激光器、钕YLF(Nd:YLF)固态激光器、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)激光器、掺钕氧硼酸钇钙Nd:YCa4O(BO3)3或简称为Nd:YCOB、钕玻璃(Nd:玻璃)激光器、钛蓝宝石(Ti:蓝宝石)激光器、铥YAG(Tm:YAG)激光器、镱YAG(Yb:YAG)激光器、镱:2O3(玻璃或陶瓷)激光器、掺镱玻璃激光器(棒、板/片和光纤)、钬YAG(Ho:YAG)激光器、铬ZnSe(Cr:ZnSe)激光器、掺铈锂锶(或钙)氟化铝(Ce:LiSAF、Ce:LiCAF)、掺钷147磷酸盐玻璃(147Pm+3:玻璃)固态激光器、掺铬金绿宝石(翠绿宝石)激光器、掺铒和铒镱共掺玻璃激光器、掺三价铀氟化钙(U:CaF2)固态激光器，掺二价钐氟化钙(Sm:CaF2)激光器、或F中心激光器。
半导体激光器可以包括诸如以下项的激光器介质类型：GaN、InGaN、AlGaInP、AlGaAs、InGaAsP、GaInP、InGaAs、InGaAsO、GaInAsSb、铅盐、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、量子级联激光器、混合硅激光器、或它们的组合。
图2示出了诸如本文公开的高速光阀在增材制造系统200中的使用。激光源202引导激光束穿过激光前置放大器和/或放大器204进入高速光阀206。在图案化之后，光可以被引导到打印床210中。在一些实施例中，来自激光源202、激光前置放大器和/或放大器204或高速光阀206的热能或激光能量可以主动或被动地传输到热传递装置、热力发动机、冷却系统和光束转储场208。基于光阀的增材制造系统200的总体操作可以由一个或更多个控制器220控制，该一个或更多个控制器220可以修改激光器功率和时序。
在一些实施例中，各种前置放大器或放大器204可选地用于向激光信号提供高增益，而光学调制器和隔离器可以分布在整个系统中，以减少或避免光学损坏，提高信号对比度，并防止损坏系统200的较低能量部分。光学调制器和隔离器可以包括但不限于普克尔斯盒、法拉第旋转器、法拉第隔离器、声光反射器、或体布拉格光栅。前置放大器或放大器204可以是二极管泵浦的或闪光灯泵浦的放大器，并且被配置为单程和/或多程或空腔型架构。如将要理解的，术语前置放大器在这里用来表示相对于激光放大器(更大)来说不受热限制的放大器(即它们更小)。放大器将通常被定位为激光器系统中的最终单元(final unit)，并且将是易受热损坏(包括但不限于热断裂或过度热透镜作用)影响的第一模块。
激光前置放大器可以包括在不过度关注能量效率的系统中可用的单程(singlepass)前置放大器。对于能量效率更高的系统，多程前置放大器可以被配置为在进入下一级之前从每个前置放大器204提取许多能量。特定系统所需的前置放大器204的数量由系统要求和每个放大器模块中可用的存储能量/增益来限定。多程前置放大器可以通过角度复用或偏振切换(例如使用波片或法拉第旋转器)来实现。
可替代地，前置放大器可以包括具有再生放大器类型配置的空腔结构。虽然由于典型的机械考虑(空腔的长度)，这种空腔结构可以限制最大脉冲长度，但是在一些实施例中，可以使用“白盒(white cell)”空腔。“白盒”是多程空腔架构，其中每次通过(pass)都会增加小的角度偏差。通过提供入口和出口路径，这种腔可以被设计成在入口和出口之间具有极大的通过数量，从而允许放大器的大增益和高效使用。白盒的一个示例是共焦空腔，射束稍微偏轴注入并且反射镜倾斜，这样在多次通过之后在反射镜上产生环形图案。通过调整注入角度和反射镜角度，可以改变通过次数。
放大器还用于提供足够的存储能量以满足系统能量要求，同时支持足够的热管理，以使得无论它们是二极管泵浦的还是闪光灯泵浦的，都能够以系统所需的重复率操作。在操作期间生成的热能量和激光能量两者都可以被引导到热传递装置、热力发动机、冷却系统和光束转储场208。
放大器可以被配置为单程和/或多程或空腔型架构。放大器可以包括在不过度关注能量效率的系统中可用的单程放大器。对于能量效率更高的系统，多程放大器可以被配置为在进入下一级之前从每个放大器提取许多能量。特定系统所需的放大器的数量由系统要求和每个放大器模块中可用的存储能量/增益来限定。多程预放大可以通过角度复用、偏振切换(波片、法拉第旋转器)来实现。可替代地，放大器可以包括具有再生放大器类型配置的空腔结构。如关于前置放大器所讨论的，放大器可以用于功率放大。
在一些实施例中，在系统200的操作期间生成的热能量和激光能量可以被引导到热传递装置、热力发动机、冷却系统和光束转储场208中。可替代地或另外地，在一些实施例中，光束转储场208可以是热传递系统的一部分，以向其它工业过程提供有用的热量。在另外的其他实施例中，热量可以用于为适用于生成机械功率、热电功率或电功率的热力发动机机提供动力。在一些实施例中，废热可用于提高连接部件的温度。将要理解的是，通过增加具有适当的热管理和光隔离的更多的前置放大器和放大器，可以在该架构中缩放激光器通量和能量。通过增加泵浦速率或改变冷却效率来用于调节性能，那么调节冷却系统的散热特性是可能的。
图3示出了可容纳如本公开中所描述的高速光阀的增材制造系统300。如在图3中所见，激光源和放大器312可以包括基于共振的光阀和激光放大器以及诸如先前描述的其他部件。如图3所示，增材制造系统300使用能够提供一维或二维被引导的能量的激光器作为激光图案化系统310的一部分。在一些实施例中，一维图案化可以被引导为线性或弯曲的条带、光栅线、螺旋线或任何其他合适的形式。二维图案化可以包括分离的或重叠的平铺块，或者具有激光强度变化的图像。可以使用具有非正方形边界的二维图像图案，可以使用重叠或互穿的图像，并且图像可以由两个或更多个能量图案化系统提供。激光图案化系统310使用激光源和放大器312将一个或更多个连续或间歇的能量光束朝向光束整形光学器件314引导。在成形之后，如果有必要，则光束由激光图案化单元316图案化，该激光图案化单元316包括透射光阀或反射光阀，其中通常一些能量被引导到废弃能量处理单元318。废弃能量处理单元可以利用由光阀的主动冷却提供的热量。
图案化能量由图像中继器320向物品处理单元340中继，在一个实施例中，作为聚焦在床346附近的二维图像322。床346(具有可选的壁348)可以形成容纳由材料分配器342分配的材料344(例如金属粉末)的腔室。由图像中继器320引导的图案化能量可以熔融、熔化、烧结、合并、改变晶体结构、影响应力图案，或者以其他方式化学地或物理地改变分配的材料344，以形成具有期望性质的结构。控制处理器350可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器和控制器，以协调激光源和放大器312、光束整形光学器件314、激光图案化单元316和图像中继器320以及系统300的任何其他部件的操作。如将理解的，连接可以是有线的或无线的、连续的或间歇的，并且包括用于反馈的能力(例如，可以响应于感测到的温度来调节热力加热(thermal heating))。
在一些实施例中，光束整形光学器件314可以包括多种成像光学器件，以组合、聚焦、发散、反射、折射、均化、调节强度、调节频率，或者以其他方式对从激光源和放大器312接收的一个或更多个激光束进行整形和引导，使激光束朝向激光图案化单元316。在一个实施例中，可以使用波长选择镜(例如二向色的)或衍射元件组合多个光束，每个光束具有不同的光波长。在其他实施例中，可以使用多面镜、微透镜和折射或衍射光学元件来均化或组合多个光束。
激光图案化单元316可以包括静态或动态能量图案化元件。例如，激光束可以被具有固定或可移动元件的掩模阻挡。为了增加图像图案化的灵活性和简易性，可以使用像素可寻址掩蔽、图像生成或传输。在一些实施例中，激光图案化单元包括可寻址光阀，该可寻址光阀是单独的或与其他图案化机构结合以提供图案化。光阀可以是透射的、反射的，或者使用透射元件和反射元件的组合。可以使用电寻址或光寻址来动态地改变图案。在一个实施例中，透射式光学寻址光阀用于旋转穿过该阀的光的偏振，其中光学寻址像素形成由光投影源限定的图案。在另一实施例中，反射式光学寻址光阀包括用于改变读取光束的偏振的写入光束。在某些实施例中，可以使用非光学寻址光阀。这些可以包括但不限于电可寻址像素元件、可移动镜或微镜系统、压电或微致动光学系统、固定或可移动掩模、或屏蔽物，或能够提供高强度光图案化的任何其他常规系统。
废弃能量处理单元318用于消散、重定向、或利用未被图案化并通过图像中继器320的能量。在一个实施例中，废弃能量处理单元318可以包括从激光源、光阀和放大器312以及激光图案化单元316两者移除热量的被动或主动冷却元件。在其他实施例中，废弃能量处理单元可以包括“光束转储场”以吸收在限定激光图案中未使用的任何光束能量并将其转换为热量。在还有的其他实施例中，可以使用光束整形光学器件314回收废弃激光束能量。可替代地或另外地，废弃光束能量可以被引导到物品处理单元340以用于加热或另外的图案化。在某些实施例中，废弃光束能量可以被引导到附加能量图案化系统或物品处理单元。
在一个实施例中，可以使用“开关站”式光学系统。开关站系统适用于减少增材制造系统中由于要打印的图案而废弃不需要的光而造成的光浪费。开关站涉及复杂图案从其生成(在这种情况下，空间图案被赋予结构化或非结构化光束的平面)到其通过一系列开关点的递送的重定向。每个开关点可以任选地改变入射光束的空间轮廓。开关站光学系统可以用于例如但不限于基于激光的增材制造技术中，其中掩模应用于光。有利地，在根据本公开的各种实施例中，丢弃的能量可以以均化的形式或作为用于保持高功率效率或高吞吐率的图案化光被回收。此外，丢弃的能量可以回收和再利用，以增加强度来打印较困难的材料。
图像中继器320可以直接或通过开关站从激光图案化单元316接收图案化图像(一维或二维)，并将其朝向物品处理单元340引导。以类似于光束整形光学器件314的方式，图像中继器320可以包括用于组合、聚焦、发散、反射、折射、调节强度、调节频率或以其他方式对图案化光进行整形和引导的光学器件。可以使用不需要实质性物理移动的可移动镜、棱镜、衍射光学元件或固态光学系统来引导图案化光。多个透镜组件中的一个可以被配置成提供具有放大比的入射光，其中透镜组件既有第一组光学透镜又有第二组光学透镜，并且第二组光学透镜可从透镜组件交换。安装在补偿台架上的一组或更多组镜和安装在构建平台台架上的最终镜的旋转可以用于将来自前体镜的入射光引导到期望的位置上。补偿台架和构建平台台架的平移移动还能够确保来自前体镜的入射光与物品处理单元340的距离基本上等于像距(image distance)。实际上，这使得不同材料的光束递送尺寸和强度能够在构建区域的位置之间快速变化，同时确保系统的高可用性。
物品处理单元340可以包括有壁的腔室348和床344(共同限定构建腔室)，以及用于分配材料的材料分配器342。材料分配器342可以分配、移除、混合、提供材料类型或颗粒尺寸的级配或变化，或者调节材料的层厚度。材料可以包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物粉末、能够经历从固体到液体再回到固态的热诱导相变的其他可熔融材料或其组合。该材料还可以包括可熔融材料和不可熔融材料的复合材料，其中一个或两个部件可以被成像中继系统选择性地瞄准以熔融可熔融部件，同时不可熔融材料被留下或使其经历蒸发/破坏/燃烧或其他破坏过程。在某些实施例中，可以使用材料的浆料、喷雾、涂层、线、条带或片材。不需要的材料可以通过使用鼓风机、真空系统、清扫、振动、摇动、倾翻、或床346的倒置来去除以用于一次性处理或回收。
除了材料处理部件之外，物品处理单元340可以包括用于保持和支撑3D结构的部件、用于加热或冷却腔室的机构、辅助或支撑光学器件、以及用于监测或调节材料或环境条件的传感器和控制机构。物品处理单元可以全部或部分地支持真空或惰性气体气氛，以减少不希望的化学相互作用以及减轻火灾或爆炸(特别是与活性金属)的风险。在一些实施例中，可以使用各种纯的其它大气或其它大气的混合物，包括包含以下项的那些大气：Ar、He、Ne、Kr、Xe、CO2、N2、O2、SF6、CH4、CO、N2O、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、i-C4H10、C4H10、1-C4H8、cic-2、C4H7、1,3-C4H6、1,2-C4H6、C5H12、n-C5H12、i-C5H12、n-C6H14、C2H3Cl、C7H16、C8H18、C10H22、C11H24、C12H26、C13H28、C14H30、C15H32、C16H34、C6H6、C6H5-CH3、C8H10、C2H5OH、CH3OH、iC4H8。在一些实施例中，可以使用制冷剂或大的惰性分子(包括但不限于六氟化硫)。可以使用具有至少约1％体积(或密度数)的He以及选定百分比的惰性/非反应性气体的封闭气氛组分。
在某些实施例中，多个物品处理单元或构建腔室(每个都具有保持粉末床的构建平台)可以与多个光学机械组件结合使用，多个光学机械组件被布置成接收和引导一个或更多个入射能量光束进入构建腔室。多个腔室允许在一个或更多个构建腔室内同时打印一个或更多个打印作业。在其他实施例中，可移除的腔室侧壁可以简化打印物体从构建腔室中移除，从而允许粉末材料的快速交换。该腔室还可以配备可调节的过程温度控制器。在还有的其他实施例中，构建腔室可以被配置为可定位在激光光学器件附近的可移除打印机料筒。在一些实施例中，可移除打印机料筒可以包括粉末或支持与粉末供应器的可拆卸连接。在制造项目之后，可移除打印机料筒可以被移除并被新的打印机料筒取代。
在另一个实施例中，一个或更多个物品处理单元或构建腔室可以具有保持在固定高度的构建腔室，而光学器件是可竖直移动的。透镜组件的最终光学器件和粉末床的顶表面之间的距离可以通过将最终光学器件向上转位相当于粉末层厚度的距离而被管理成基本上恒定，同时将构建平台保持在固定高度。有利的是，与竖直移动的构建平台相比，可以更容易地制造大而重的物体，因为不需要构建平台的不断变化的质量的精确微米级移动。通常，意图用于体积大于约0.1-0.2立方米(即大于100-200升或大于500-1,000千克)的金属粉末的构建腔室将最大限度地受益于将构建平台保持在固定高度。
在一个实施例中，粉末床的层的一部分可以选择性地熔融或熔化，以在粉末床的层的熔化部分之外形成一个或更多个临时壁，从而在构建平台上包含粉末床的层的另一部分。在选定的实施例中，流体通道可以形成在一个或更多个第一壁中，以实现改进的热管理。
在一些实施例中，增材制造系统可以包括物品处理单元或具有构建平台的构建腔室，构建平台支撑能够倾斜、倒置和摇动的粉末床，以将粉末床与料斗中的构建平台基本上分离。形成粉末床的粉末材料可以收集在料斗中，以便在以后的打印作业中再利用。粉末收集过程可以是自动化的，并且真空或气体喷射系统也用于帮助粉末驱逐和移除。
对一些实施例，增材制造系统可以被配置成容易地处理比可用构建腔室长的零件。连续(长)零件可以在纵向方向上从第一区顺序前进到第二区。在第一区中，粒状材料的选定粒体可以被合并。在第二区中，粒状材料的未合并粒体可以被移除。连续零件的第一部分可以从第二区前进到第三区，同时连续零件的最后部分形成在第一区内，并且第一部分在侧向和横向方向上保持在与第一部分在第一区和第二区内占据的位置相同的位置。实际上，增材制造和清理(例如，未使用或未合并的粒状材料的分离和/或回收)可以在零件传送带上的不同位置或区并行地(即，同时)进行，而不需要为了移除粒状材料和/或零件而停止。
在另一个实施例中，可以通过使用限制气体物质在封闭部内部和封闭部外部之间交换的封闭部来提高增材制造能力。气闸提供了内部和外部之间的界面；内部具有多个增材制造腔室，包括那些支持动力床熔化的腔室。气体管理系统将内部中的气态氧保持在极限氧浓度或低于极限氧浓度，增加了系统中可以使用的粉末类型和处理的灵活性。
在另一个制造实施例中，可以通过将物品处理单元或构建腔室包含在封闭部内来提高能力，构建腔室能够制造重量大于或等于2000千克的零件。气体管理系统可以将封闭部内的气态氧保持在低于大气水平的浓度。在一些实施例中，轮式载具(wheeled vehicle)可以从封闭部内部运输零件通过气闸(因为气闸在封闭部内部的气体环境和封闭部外部的气体环境之间起缓冲作用)，并且将零件运输到封闭部和气闸两者外部的位置。
其他制造实施例涉及从粉末床实时收集粉末样品。摄取系统用于粉末样品的过程中收集和表征。收集可以周期性地进行，并且表征的结果导致对粉末床熔化过程的调节。摄取系统可选地可以用于评估、过程调节或动作中的一个或更多个，例如改变打印机参数或验证许可粉末材料的正确使用。
描述了对增材制造工艺的另一种改进，可以通过使用操纵器装置来提供，操纵器装置例如是起重机、提升台架、机器人臂或类似的允许操纵人类难以或不可能移动的零件的装置。操纵器装置可以抓住零件上的各种永久或临时附加制造的操纵点，以使零件能够重新定位或操纵。
控制处理器350可以被连接以控制本文描述的增材制造系统300的任何部件，包括激光器、激光放大器、光学器件、热控制、构建腔室和操纵器装置。控制处理器350可以连接到各种传感器、致动器、加热或冷却系统、监测器和控制器以协调操作。各种传感器，包括成像仪，光强度监测器，热、压力、或气体传感器，可以用于提供控制或监测中使用的信息。控制处理器可以是单个中央控制器，或者可替代地，可以包括一个或更多个独立的控制系统。控制器处理器350设置有允许输入制造指令的界面。各种传感器的使用允许各种反馈控制机制，以提高质量、制造吞吐量和能效。
图4示出了支持使用适用于增材制造或减材制造的高速光阀的制造系统的操作的一个实施例。在该实施例中，流程图400示出了由所描述的光学器件和机械部件支持的制造过程的一个实施例。在步骤402中，将材料定位在床、室、或其他合适的支撑件中。材料可以是使用减材制造技术进行激光切割的金属板，或者能够被熔化、熔融、烧结、诱导以改变晶体结构、使应力模式被影响、或通过增材制造技术以其他化学或物理方式改性以形成具有所需性能的结构的粉末。
在步骤404中，未图案化的激光能量由包括但不限于固态或半导体激光器的一个或更多个能量发射器发射，且然后由一个或更多个激光放大器放大。在步骤406中，对未图案化的激光能量进行成形和修改(例如强度调制或聚焦)。在步骤408中，该未图案化的激光能量由高速光阀图案化，其中不形成图案的一部分的能量在步骤410中被处理(这可以包括使用如关于图2和图3所公开的光束转储场，该光束转储场提供到废热的转换、作为图案化或未图案化的能量的再循环、或者在步骤404中通过冷却激光放大器而生成的废热)。在步骤412中，现在形成一维或二维图像的图案化能量被转发向材料。在步骤414中，将图像施加于材料，或者减材处理或者增材构建3D结构的一部分。对于增材制造，可以重复这些步骤(环416)，直到图像(或不同的和随后的图像)已经被应用到材料顶层的所有必要区域。当能量施加到材料顶层结束时，可以施加新层(环418)以继续构建3D结构。这些过程循环一直持续到3D结构完成，这时剩余的过多材料可以被移除或回收。
图5是增材制造系统的一个实施例，该增材制造系统包括高速光阀和开关站系统，该开关站系统使得能够重复使用图案化的二维能量。增材制造系统520具有能量图案化系统，该能量图案化系统具有将一个或更多个连续的或间歇的激光束引导向光束成形光学器件514的激光和放大器源512。多余的热量可以被传输到被废弃能量处理单元522中，该废弃能量处理单元522可以包括如关于图2、图3和图4所公开的主动光阀冷却系统。在成形之后，通过基于基于共振的材料的能量图案化单元530对光束进行二维图案化，其中通常一些能量被引导到废弃能量处理单元522。图案化能量由多个图像中继器532中的一个朝向一个或更多个物品处理单元534A、534B、534C或534D中继，典型地作为聚焦在可移动或固定高度床附近的二维图像。该床可以位于包括粉末料斗或类似材料分配器的料筒内。由图像中继器532引导的图案化激光束可以熔融、熔化、烧结、合并、改变晶体结构、影响应力图案，或者以其他方式化学地或物理地改变分配的材料，以形成具有期望性质的结构。
在该实施例中，废弃能量处理单元具有多个部件以允许废弃图案化能量的再利用。来自激光放大器和源512的冷却剂流体可以被引导到发电机524、加热/冷却热管理系统525或能量转储场526中的一者或更多者中。此外，中继器528A、528B和528C可以分别地将能量转移到发电机524、加热/冷却热管理系统525、或能量转储场526。可选地，中继器528C可以将图案化能量引导到图像中继器532中以用于进一步处理。在其他实施例中，图案化能量可以由中继器528C引导到中继器528B和528A，用于插入到由激光和放大器源512提供的激光束中。图案化图像的再利用也可以使用图像中继器532。图像可以被重定向、倒置、镜像、子图案化或以其他方式变换以分配到一个或更多个物品处理单元534A-534D。有利地，图案化光的重复使用可以提高增材制造工艺的能量效率，并且在一些情况下提高指向床的能量强度或减少制造时间。
受益于前述描述和相关联附图中呈现的教导的本领域技术人员将会想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例被认为被包括在所附权利要求的范围内。还应当理解，本发明的其他实施例可以在没有本文具体公开的元素/步骤的情况下实施。

Claims (20)

1.一种增材制造系统，包括：
具有第一通量的第一激光写入光束；
具有第二通量的第二激光束，所述第二通量大于所述第一激光写入光束的通量；以及
具有反射结构的2D可图案化光阀，所述反射结构由所述第一激光写入光束图案化以反射来自所述第二激光束的光。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在光电导体上的透明导电氧化物。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在反射镜上的光电导体。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在对准层上的反射镜和线性电光器件。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀将未图案化的光引导到光束转储场或开关站系统中的至少一个中。
6.一种增材制造系统，包括：
电子写入束；
激光束；以及
具有反射结构的2D可图案化光阀，所述反射结构由所述电子写入束图案化以反射来自所述激光束的光。
7.根据权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括二次发射栅极。
8.根据权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括与电子写入束相互作用的结构化过孔层。
9.根据权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在对准层上的反射镜和线性电光器件。
10.根据权利要求6所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀将未图案化的光引导到光束转储场或开关站系统中的至少一个中。
11.一种增材制造系统，包括：
电子束阵列；
激光束；以及
具有反射结构的2D可图案化光阀，所述反射结构由所述电子束阵列图案化以反射来自所述激光束的光。
12.根据权利要求11所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括多行和多列可寻址电子发射器。
13.根据权利要求11所述的增材制造系统，其中，所述电子束阵列还包括多个电子束阵列驱动器，所述多个电子束阵列驱动器被定位成接收来自电子发射器的电子。
14.根据权利要求11所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在对准层上的反射镜和线性电光器件。
15.根据权利要求11所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀将未图案化的光引导到光束转储场或开关站系统中的至少一个中。
16.一种增材制造系统，包括：
自发射显示器；
激光束；以及
具有反射结构的2D可图案化光阀，所述反射结构由所述自发射显示器图案化以反射来自所述激光束的光。
17.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括小透镜阵列，所述小透镜阵列被定位成将来自所述自发射显示器的光引导朝向所述反射结构。
18.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述自发射显示器包括OLED阵列、LED阵列或微LED显示器中的至少一个。
19.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀还包括沉积在对准层上的反射镜和线性电光器件。
20.根据权利要求16所述的增材制造系统，其中，所述2D可图案化光阀将未图案化的光引导到光束转储场或开关站系统中的至少一个中。
CN202180072274.XA 2020-10-29 2021-10-28 高速光阀系统 Pending CN116490305A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063107310P 2020-10-29 2020-10-29
US63/107,310 2020-10-29
PCT/US2021/057038 WO2022094071A1 (en) 2020-10-29 2021-10-28 High speed light valve system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116490305A true CN116490305A (zh) 2023-07-25

Family

ID=81383218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180072274.XA Pending CN116490305A (zh) 2020-10-29 2021-10-28 高速光阀系统

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4237170A1 (zh)
JP (1) JP2023548036A (zh)
CN (1) CN116490305A (zh)
CA (1) CA3197942A1 (zh)
IL (1) IL302139A (zh)
WO (1) WO2022094071A1 (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5196767A (en) * 1991-01-04 1993-03-23 Optron Systems, Inc. Spatial light modulator assembly
US5287215A (en) * 1991-07-17 1994-02-15 Optron Systems, Inc. Membrane light modulation systems
US7990600B2 (en) * 2004-05-24 2011-08-02 Compound Photonics Limited Transmissive, optically addressed, photosensitive spatial light modulators and color display systems incorporating same
EP2687017B1 (en) * 2011-03-14 2017-06-21 Dolby Laboratories Licensing Corporation Image projection display and method for displaying an image
WO2017132664A1 (en) * 2016-01-28 2017-08-03 Seurat Technologies, Inc. Additive manufacturing, spatial heat treating system and method

Also Published As

Publication number Publication date
IL302139A (en) 2023-06-01
CA3197942A1 (en) 2022-05-05
EP4237170A1 (en) 2023-09-06
WO2022094071A1 (en) 2022-05-05
JP2023548036A (ja) 2023-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11964429B2 (en) Light recycling for additive manufacturing optimization
JP7208162B2 (ja) 付加製造最適化のためのパターン化された光の固体ルーティング
KR102453653B1 (ko) 적층 가공을 위한 패턴화된 광의 스위치야드 빔 라우팅
US20210053280A1 (en) Electron Beam Patterning System In Additive Manufacturing
CN116490305A (zh) 高速光阀系统
JP2023548038A (ja) 相変化ライトバルブシステム
US20230134032A1 (en) High Speed Light Valve System
US11872760B2 (en) Distributed flux array
US11969790B2 (en) Light valve cooling system
US20220258247A1 (en) Phase Managed Additive Printing System
US20230026951A1 (en) Speckle Reduction For An Additive Printing System

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination