DE102019003528A1

DE102019003528A1 - Additive fertigung bei metallen mit einer faserarraylaserquelle und adaptiver mehrfachstrahlformung

Info

Publication number: DE102019003528A1
Application number: DE102019003528.3A
Authority: DE
Inventors: Mikhail A. Vorontsov
Original assignee: Mv Innovative Tech LLC; Mv Innovative Technologies LLC
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2019-11-21
Also published as: CN110773736B; CN114769620A; CN110773736A

Abstract

Ein System, das ein skalierbares Array von einzeln steuerbaren Laserstrahlen, die durch ein Faserarraysystem generiert werden, verwendet, um Materialien zu einem Objekt zu verarbeiten. Die adaptive Steuerung von einzelnen Strahlen kann Strahlleistung, Brennpunktweite, Schwerpunktposition, Scanausrichtung, Amplitude und Frequenz, Kolbenphase und Polarisierungszustände von einzelnen Strahlen beinhalten. Laserstrahlarrays können in einem Cluster angeordnet und dazu konfiguriert sein, eine schmale Verarbeitungslinie bereitzustellen, oder können linear angeordnet und dazu konfiguriert sein, zu oszillieren und eine breite Verarbeitungslinie bereitzustellen. Diese Systeme können auch eine Reihe von Materialsensoren, die Informationen zu einem Material und einer Umgebung unmittelbar vor, während und unmittelbar nach der Verarbeitung sammeln, oder eine Reihe von Wärmemanagementmodulen, die Material vorheizen und nachheizen, um Wärmegradienten zu steuern, oder beides aufweisen.

Description

PRIORITÄT
Diese Anmeldung ist eine teilweise Fortsetzung der nicht vorläufigen US-Patentanmeldung 15/642,884 , eingereicht am 6. Juli 2017, mit dem Titel „Additive Fertigung bei Metallen mit einer Faserarraylaserquelle und adaptiver Mehrfachstrahlformung“ („Additive Manufacturing in Metals with a Fiber Array Laser Source and Adaptive Multi-Beam Shaping“).
GEBIET
Die offenbarte Technologie betrifft Systeme zur additiven Metallfertigung unter Verwendung einer Mehrfachstrahl-Faserarraylaserleistungsquelle mit adaptiver Formung von spatiotemporaler Laserleistungsverteilung und In-situ-Erfassungssysteme.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Laser sind eine allgemeine Leistungsquelle für Materialverarbeitung und additive Metallfertigung, wie etwa Techniken zur additiven Laserfertigung (Laser Additive Manufacturing - LAM). Als ein Beispiel beinhaltet Metallpulverbett-LAM eine Fertigungsplattform oder ein Bett, die/das während des Fertigungsprozesses angehoben und abgesenkt werden kann. Eine dünne Schicht von Metallpulver wird gleichmäßig über das Bett verteilt und dann wird ein Laser verwendet, um das Metallpulver in einem gewünschten Muster zu erhitzen, sodass es schmilzt und dann abkühlt, während das nicht betroffene Pulvermaterial weggewischt werden kann, sodass nur die neu geformte Schicht verbleibt. Nachdem jede Schicht gebildet wurde, wird die Pulverplattform abgesenkt und es wird eine neue Schicht von Metallpulver über der alten Schicht verteilt. Auf diese Weise kann ein dreidimensionales Objekt gebildet werden, jeweils eine Schicht, indem die Plattform abgesenkt wird, eine neue Pulverschicht hinzugefügt wird und dann der Laser verwendet wird, um das Pulver in der Form eines gewünschten Objektvolumens in die neue Pulverschicht zu schmelzen, wo es dann abkühlt, sich zu Metall verfestigt und sich mit der vorherigen Schicht verbindet [1-4]. Die großen Nachteile von bestehenden Laserleistungsquellen für LAM sind das Fehlen von aktiver und/oder adaptiver Steuerung der spatiotemporalen Eigenschaften des Laserstrahls während der Anwendung der Laserenergie und das Fehlen von hinreichenden In-situ-Erfassungstechniken zur Charakterisierung von Ausgangsmaterial vor dem Verarbeitungsstrahl und geschmolzenem und zu Metall verfestigtem Material innerhalb des Verarbeitungsstrahls und der Wärmeinflusszone (WEZ) während und nach der LAM-Verarbeitung von jeder Schicht. Das Fehlen derartiger Echtzeit-Erfassungstechniken verhindert Entwicklung und Umsetzung der Strahlsteuertechniken, darunter programmierbare Feedforward- und Feedback-Steuerung von LAM-Prozessen, um Produktivität, Wiederholbarkeit und Qualität von LAM-gefertigten Produkten und Komponenten zu verbessern [5].
Es wurde auch festgestellt, dass die gewünschte Verbesserung von Mikrostruktur und Oberflächengüte, Minderung von Restspannungen und Erhöhung von Verarbeitungsgeschwindigkeit mit einem einzelnen Laserstrahl schwierig zu erreichen sind. Die Verfügbarkeit von fortschrittlichen Leistungsquellen und Steuersystemen, die hierin offenbart sind und die in der Lage sind, mehrere Laserstrahlen gleichzeitig auszurichten, deren Eigenschaften wie etwa optische Leistung, Brennpunktgröße, Ziel- und Lenkungseigenschaften individuell gesteuert werden können, wird neue Möglichkeiten für LAM schaffen.
Aktuelle Entwicklungen der Technik können einen Trend hin zur Prüfung der Vorteile von und zur Entwicklung von Systemen für steuerbare Mehrstrahl-Laserleistungssysteme für Materialverarbeitung und LAM anzeigen. Gegenwärtig wurden mehrere Doppelstrahl- und Vierfachstrahl-Lasersysteme, die für Lasermaterialverarbeitung und LAM angepasst wurden, aufgezeigt [6-7]. Die bestehenden Mehrfachstrahl-LAM-Systeme nutzen separate optische Systeme für jeden Strahl, bestehend aus Laserquellen (100.1), die Laserstrahlen generieren (100.2) und Optiken zu Strahlformung (100.3), Scannen (100.4) und Fokussierung (100.5). 1 veranschaulicht ein LAM-System zur unabhängigen Verarbeitung des Ausgangsmaterials unter Verwendung von N-gerichteten Strahlen (100.6), die Brennpunkte (100.7) an der Pulverbettfläche (100.8) oder an anderen Werkstücken am Fertigungsort bilden. Es ist eine zusätzliche Strahlkombinationsoptik (100.9) für LAM-Verarbeitung mit zusammen angeordneten oder nahe angeordneten Brennpunkten erforderlich, wie in 2 für den Fall von N-Strahl-LAM veranschaulicht. Die Skalierung der bestehenden Mehrfachstrahl-LAM-Systeme, wie 1 und 2 gezeigt, um eine große Anzahl von einzeln gesteuerten Laserstrahlen zu beinhalten, würde die Integration von mehreren optischen Systemen ähnlich denen, die in 1 und 2 gezeigt sind, erfordern, was in einem extrem sperrigen, schweren und teuren LAM-System resultieren würde. Zusätzlich beinhalten die gezeigten Mehrfachstrahl-LAM-Systeme keine Sensoren für Feedback-Steuerung und können somit während des laufenden Betriebs keine Modifikation von Laserstrahleigenschaften auf Grundlage von Werkstückerfassungsdaten bereitstellen. Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren bieten eine Lösung für diese Probleme.
Ein weiterer großer Nachteil der bestehenden LAM-Systeme besteht darin, dass diese größtenteils auf der so genannten Einzelpunkt-Verarbeitungstechnik basieren [5, 9]. In den in 1 und 2 veranschaulichten Systemen, erzeugen genau fokussierte Laserstrahlen (100.6) stark lokalisierte (Punkt-) Wärmequellen, die mit Strahlscanoptik (z. B. Galvo-Spiegeln) für selektives Laserschmelzen (selective laser melting - SLM) eines Ausgangsmaterials schnell gerastert (gescannt) werden.
Diese Einzelpunkt-LAM-Verarbeitungstechnik umfasst mehrere große Nachteile:
A. Eine stark lokalisierte (Punkt-) Wärmequelle, die durch einen stark fokussierten Laserstrahl auf einem Pulverbett oder einem anderen Fertigungswerkstück generiert wird, erzeugt große Wärmegradienten in dem Verarbeitungsmaterial. Das Scannen dieser Punktwärmequelle produziert ein längliches Schmelzbad, das bei hohen Scangeschwindigkeiten aufgrund von Rayleigh-Instabilität in voneinander getrennte Kugeln zerbricht [10, 11]. Sowohl große Wärmegradienten als auch diese Kugelbildungseffekte haben eine negative Auswirkung auf die Oberflächenrauigkeit, verursachen Restspannungen und Rissbildung bei LAM und beschränken die Produktivität. Es ist zu beachten, dass Versuche, die LAM-Produktivität durch Verwendung höherer Laserleistungen mit schnelleren Scangeschwindigkeiten zu erhöhen, die Oberflächengüte und die Restspannungen noch verschlechtern können [12];
B. Bei der Einzelpunktverarbeitung übersteigt der Laserstrahlpunktdurchmesser, der von fünfzig bis zu mehreren hundert Mikrometern reicht, nur marginal die charakteristische Pulverpartikelgröße (~ 10-45 µm bei Legierung Ti-6Al-4V [13]). Das Ergebnis ist ein winziges Verarbeitungsvolumen, das ein vergleichsweise kleine Anzahl von Pulverpartikeln unterschiedlicher Größe innerhalb des Volumens enthält. Da das Absorptionsvermögen des Laserstrahls und der Temperaturanstieg des Materials von der Partikelgröße abhängig sind, führt jede Variabilität des Ausgangsmaterials innerhalb des kleinen Verarbeitungsvolumens zu Anisotropie bei der Wärmedissipation, Variationen der lokalen Temperaturgradienten und starken Fluidströmungen in dem Schmelzbad [14-16] - alles wichtige Faktoren, die eine direkte Auswirkung auf die Qualität der LAM-produzierten Komponenten haben; und
C. Die Verarbeitung mit einem einzelnen Laserstrahl erfordert eine Brennpunktrasterung (Scannen) mit hoher Geschwindigkeit, um unakzeptabel lange Herstellungszeiten zu vermeiden. Dies resultiert wiederum in extrem hohen Erhitzungsraten, was zu Unterbrechungen der Pulverbettschicht oder des Materials durch Verdampfungsströme und Spritzer aufgrund von Verdampfungsrückstoß und Strahlbildung führt [5,16]. Hohe Erhitzungsraten gestalten es außerdem schwierig oder machen es sogar unmöglich, eine Echtzeiterfassung und -steuerung von LAM-Prozessparametern zu erreichen.
Diese Nachteile der aktuellen Einzelpunkt-LAM-Technologie können mit hierin offenbarten Systemen und Verfahren vermindert werden.
Der aktuellste Versuch, über das herkömmliche Einzelpunkt-SLM hinauszugehen, besteht in der Umsetzung des additiven Fertigungsprozesses, der als Diodenbereichsschmelzung (Diode Area Melting - DAM) bekannt ist [17]. DAM verwendet einen Array von einzeln adressierbaren Laserdiodenemittern von niedriger Leistung zur parallelen Verarbeitung von Ausgangsmaterial durch die Verwendung von mehreren Laserpunkten. Der DAM-Ansatz weist mehrere grundsätzliche Probleme auf, die dessen Überleitung von den aktuellen Laborexperimenten auf früher Stufe in die LAM-Branche verhindern. Die große und stark asymmetrische Divergenz von Laserdioden resultiert in elliptischen Strahlen von geringer Qualität, bei denen es schwierig ist, diese auf einem Punkt zu konzentrieren (fokussieren), der über ausreichend Leistungsdichte verfügt, um das Ausgangsmaterial schmelzen zu lassen. Um die Leistung innerhalb von jedem einzelnen Laserpunkt zu erhöhen, können diese Diodenstapelarrays grundsätzlich kombiniert werden. Dieses Multiplexen von Laserquellen verkompliziert jedoch das Fokussieren dieser stark divergenten Strahlen noch mehr [18]. Zusätzlich kann die Laserpunktposition auf der Pulverbettfläche oder dem Material nicht einzeln gesteuert werden. Dies führt zu einer stark räumlich, nicht einheitlichen kombinierten Laserintensität ohne die Möglichkeit, adaptive spatiotemporale Leistungsformung zu erreichen. Die hierin offenbarten neuartigen Komponenten, Systeme und Verfahren bieten eine Lösung der vorstehend erörterten Probleme sowie von anderen Problemen, die in herkömmlichen Systemen vorhanden sind.
Figurenliste
Die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung, die folgen, sind nur veranschaulichend und nicht dazu bestimmt, den Umfang der Erfindung, wie durch den Erfinder beabsichtigt, zu beschränken.

1 ist eine schematische Veranschaulichung eines additiven Laserfertigungssystems, das zwei oder mehr (N=2, 3, ...,) projizierte Strahlen mit unabhängigen Laserquellen und Optiken zu Strahlformung, Scannen und Fokussierung verwendet, um Brennpunkte an unterschiedlichen Regionen eines Pulverbetts oder einer anderen Werkstückmaterialfläche für gleichzeitige Herstellung von mehreren Teilen zu bilden;
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines additiven Laserfertigungssystems, das zwei oder mehr (N=2, 3, ...,) strahlenkombinierende optische Systeme verwendet, um zwei oder mehr (N=2, 3, ...,) projizierte Strahlen an einem Pulverbett oder einer anderen Werkstückmaterialfläche zu fokussieren;
3 ist eine symbolische schematische Darstellung eines adaptiven Mehrfachstrahl-Faserarraylaserfertigungssystems (multi-beam fiber-array laser additive manufacturing system - AMBFA-LAM) ;
4 ist eine andere symbolische schematische Darstellung eines adaptiven Mehrfachstrahl-Faserarraylaserfertigungssystems (AMBFA-LAM);
5 ist eine symbolische schematische Darstellung einer Ansicht eines Mehrfachstrahltransmitterabschnitts eines beispielhaften Faserarraytransmitters mit angeschlossenem optischen Empfänger und Erfassungsmodul;
6 ist eine perspektivische Vorderansicht eines beispielhaften Faserarraylaserkopfsystems, bestehend aus sieben faserbasierten Lasertransmittern und angeschlossenen vier Erfassungsmodulen;
7 ist eine symbolische schematische Darstellung eines beispielhaften faserbasierten Lasertransmittermoduls;
8 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften optischen Mehrfachkanal-Leistungsverstärker (multi-channel optical power amplifier - MOPA)-Fasersystems mit Steuerungen;
9 ist eine fiktive schematische Darstellung eines beispielhaften AMBFA-LAM-System mit einem auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarray-Laserkopf;
10 ist eine symbolische schematische Darstellung einer beispielhaften Baugruppe eines Mehrfachstrahl-Rastersystems, das einen auf einer virtuellen Linse basierenden Laserkopf nutzt, der an einem Gerüstsystem befestigt ist, mit Strahlausrichtungsspiegeln und Materialerfassungsmodulen für Mehrfachstrahl-Brennpunktausrichtung auf einer Pulverbettoberfläche oder einem Herstellungspunkt;
11 ist eine symbolische schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlrastersystems unter Verwendung eines Array-Laserkopfs mit kollimierten Strahlen und einem Gerüstsystem mit angebrachten Strahlausrichtungsspiegeln und Fokussierungslinse für Mehrfachstrahl-Brennpunktausrichtung auf einer Pulverbettoberfläche oder einem Herstellungspunkt;
12 ist eine symbolische schematische Darstellung einer beispielhaften AMBFA-LAM-Systembaugruppe mit Materialerfassungsmodulen;
13 ist eine perspektivische Vorderansicht eines beispielhaften auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarray-Laserkopf mit Materialerfassungsmodulen;
14 ist eine symbolische schematische Darstellung eines beispielhaften Materialerfassungsmoduls, umfassend einen Sondenstrahllaserilluminator und einen optischen Empfänger;
15 ist eine symbolische schematische Darstellung eines Sondenstrahllasersendeempfänger (probe beam laser transceiver - PBLT)-Sensors;
16 ist eine Diagrammansicht mit Darstellung einer Vielzahl von beispielhaften Strahlformungsverfahren, die eine AMBFA-LAM-Vorrichtung ausführen kann;
17 ist eine Veranschaulichung eines experimentellen Nachweises von Materialmikrostruktursteuerung unter Verwendung eines 7-strahligen AMBFA-LAM-Systems, das Strahlformungsverfahren aus 16 nutzt, mit Darstellung bestimmter Unterschiede in der Materialmikrostruktur zwischen den Ergebnissen, die mit einem herkömmlichen Einzelstrahl-SLM-Verarbeitungsverfahren (links) und unter Verwendung von Mehrfachstrahl-SLM-Verarbeitung (rechts) erlangt werden;
18 ist ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften AMBFA-LAM-Vorrichtung, die ein inkohärentes optisches Mehrfachkanal-Leistungsverstärker (incoherent multi-channel optical power amplifier - IMOPA)-System mit Steuerungen für adaptive Mehrfachstrahlformung nutzt;
19 ist eine symbolische schematische Darstellung eines beispielhaften adaptiven Strahlformungssystems mit Mehrfachstrahlsteuerfähigkeiten;
20 ist eine perspektivische Vorderansicht eines beispielhaften additiven Weitbereichslaserfertigungs (wide area laser additive manufacturing - WALAM)-Systems mit Darstellung eines beispielhaften Gerüsts, eines beispielhaften WALAM-Lasermoduls und eines beispielhaften Fertigungsbereichs während einer simulierten Verwendung;
21 ist eine perspektivische Vorderansicht des WALAM-Lasermoduls während einer simulierten Verwendung;
22 ist eine perspektivische Vorderansicht des WALAM-Lasermoduls während einer simulierten Verwendung, wobei die Abdeckung von einem Array von zwanzig beispielhaften oszillierenden Strahlmodulen entfernt sind;
23 ist eine symbolische schematische Darstellung des WALAM-Lasermoduls mit einem Array von fünf oszillierenden Strahlmodulen während einer simulierten Verwendung;
24 ist eine perspektivische Vorderansicht eines beispielhaften oszillierenden Strahlmoduls während einer simulierten Verwendung, wobei eine Abdeckung entfernt ist, um innere Komponenten zu zeigen;
25 ist eine seitliche symbolische schematische Darstellung des beispielhaften oszillierenden Strahlmoduls während einer simulierten Verwendung, wobei eine Abdeckung entfernt ist, um innere Komponenten zu zeigen;
26 ist eine seitliche symbolische schematische Darstellung des beispielhaften oszillierenden Strahlmoduls während einer simulierten Verwendung, wobei eine Abdeckung entfernt ist, um innere Komponenten zu zeigen;
27 zeigt eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Fertigungsbereichs, der in drei separate Bereiche geteilt ist;
28A zeigt eine simulierte Laserleistungsdichtenverteilung an einem Fertigungsbereich für einen einzelnen, nicht oszillierenden Brennpunkt mit Gauß-Form;
28B zeigt eine Temperaturverteilung an dem Fertigungsbereich, der 28A entspricht;
28C zeigt eine simulierte Laserleistungsdichtenverteilung an einem Fertigungsbereich für einen oszillierenden Brennpunkt mit Gauß-Form;
28D zeigt eine Temperaturverteilung an dem Fertigungsbereich, der 28C entspricht;
29 zeigt einen Graphen des periodischen Zyklus von Pulvermaterialvorerhitzung und -schmelzung während additiver Fertigung;
30 zeigt eine perspektivische Unteransicht eines beispielhaften WALAM-Lasermoduls mit Wärmemanagementfähigkeiten;
31 zeigt eine perspektivische Unteransicht eines beispielhaften WALAM-Lasermoduls mit Oberflächenerfassungs- und Bildgebungsfähigkeiten;
32 zeigt das beispielhafte WALAM-Lasermodul mit Oberflächenerfassungs- und Bildgebungsfähigkeiten während einer simulierten Verwendung;
33 zeigt ein beispielhaftes oszilliertes Strahlmodul mit Oberflächenerfassungs- und Bildgebungsfähigkeiten mit einer entfernten Abdeckung während einer simulierten Verwendung; und
34 zeigt eine symbolische schematische Darstellung des beispielhaften oszillierenden Strahlmoduls mit Oberflächenerfassungs- und Bildgebungsfähigkeiten während einer simulierten Verwendung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Erfinder hat neuartige Technologie konzipiert, die zum Zwecke der Veranschaulichung hierin offenbart ist, so wie in dem Kontext von Pulverbett- und anderen Arten von additiver Laserfertigung (laser additive manufacturing - LAM) bei Metallen, auch bekannt als selektives Laserschmelzen (selective laser melting - SLM), Direktdeposition, Drahtzufuhr und andere ähnliche Prozeduren, angewendet. Obwohl die offenbarten Anwendungen der Technologie des Erfinders ein lange bestehendes, aber unerfülltes Erfordernis in der Technik des LAM bei Metallen erfüllen, versteht es sich, dass die Technologie des Erfinders nicht darauf beschränkt ist, auf genau die Weise umgesetzt zu werden, die hierin dargelegt ist, sondern in Anbetracht dieser Offenbarung ohne übermäßiges Experimentieren durch den Fachmann auf andere Weisen umgesetzt werden kann. Dementsprechend sind die hierin enthaltenen Beispiele lediglich an veranschaulichend und nicht als einschränkend zu erachten.
Konfiguration des AMBFA-LAM-Systems
Das hierin offenbarte additive Mehrfachstrahl-Faserarray-Fertigungssystem, das als AMBFA-LAM bezeichnet werden kann, ist in 3 veranschaulicht, und eine Variation davon in 4. Das AMBFA-LAM-System (300), das auch als ein Lasertransmittermodul bezeichnet werden kann, kann innerhalb eines einzelnen Gehäuses, Chassis oder Moduls eigenständig sein oder kann über ein oder mehrere Gehäuse, Module oder Vorrichtungen verteilt sein. Das AMBFA-LAM-System (300) besteht aus dem Mehrfachstrahl-Faserarraylaserkopf (400), der auch als ein Lasertransmitter oder Mehrfachstrahltransmitter bezeichnet werden kann, der über integrierte Strahlausrichtungs- und/oder - fokussierungsmodule, Strahlbildungsoptik (100.5), ein oder mehrere Pulverbetterfassungsmodule (500), das optische Mehrfachkanalleistungsverstärker (MOPA)-Fasersystem mit Steuerungen (600), eine Strahlrastersteuerung (300.3) und Zielobjektdefinitionsdaten (300.4), die durch CAD-Software zur additiven Fertigung oder eine andere Quelle, die Parameter für ein herzustellendes Objekt liefert, das auch als Zielobjekt bezeichnet werden kann, generiert werden kann, aufweisen kann. Das AMBFA-LAM-System generiert mehrere nahezu beugungsbegrenzte Qualitätslaserstrahlen für gleichzeitiges Vorerhitzen, vollständiges Schmelzen und Nacherhitzen des Ausgangsmaterials auf der Pulverbettoberfläche (100.8). In einigen Umsetzungen kann das AMBFA-LAM-System (300) integrierte und/oder angebrachte passive (bildbasierte) und aktive (sondenlaserbasierte) Pulverbetterfassungsmodule (500) beinhalten, die zurückgestrahltes Sondenstrahllicht (300.2) erkennen können.
Obwohl 3 ein LAM-System unter Verwendung eines Fertigungspunkts vom Pulverbetttyp zeigt, versteht es sich, dass Ausführungsformen der hierin offenbarten Technologie mit anderen Fertigungspunkten als einem Pulverbett genutzt werden können und dass einige Ausführungsformen dieser Technologie auf einem Fertigungspunkt mit Drahtzufuhr oder einem Fertigungspunkt mit direkter Deposition beruhen können. Ein Fertigungspunkt mit Drahtzufuhr verwendet einen Draht, eine Spule, einen Stab oder eine andere Form von festem Material, die an dem Herstellungspunkt platziert wird und auf die dann mit Laserstrahlen gezielt wird. Wenn das material schmilzt, können neue Längen des Drahts oder der Spule zur Schmelzzone zugeführt werden und die Materialien und Laser können wie erforderlich bewegt und eingestellt werden, um das gewünschte Objekt zu erzeugen. Ein Fertigungspunkt mit direkter Energiedeposition verwendet eine Düse oder einen anderen Sprühmechanismus, um Pulvermaterial wie erforderlich in die Schmelzzone zu sprühen. Die Depositionsdüse ist häufig in der Nähe des Laserkopfs befestigt und die gesamte Baugruppe kann wie erforderlich positioniert und ausgerichtet werden, um das gewünschte Objekt zu erzeugen. Jeder dieser Typen von Fertigung (Pulverbett, Drahtzufuhr und direkte Energiedeposition) weisen Vorteile und Nachteile auf, und jede kann je nach Wunsch auf Grundlage von derartigen Faktoren wie Kosten, Komplexität, Haltbarkeit, Umgebung und Art der Verwendung in Ausführungsformen der hierin offenbarten Technologie verwendet werden.
Obwohl die hierin beschriebene Technologie unterschiedliche Arten von Fertigungspunkten in unterschiedlichen Ausführungsformen verwenden kann, werden die Figuren und Beschreibungen zum Zwecke der Klarheit hauptsächlich Systeme vom Pulverbetttyp darstellen und beschreiben. In einer Pulverbettanwendung bewegen sich die durch den AMBFA-LAM-Faserarray-Laserkopf erzeugten Strahlen und Erfassungssondenstrahlen entlang der Pulverbettoberfläche unter Verwendung eines Strahlraster (Scan)-Systems (100.4) auf Grundlage von Galvo- und/oder Scanspiegeln eines anderen Typs und/oder einer x-y-Positionierungsgesrüstplattform von hoher Präzision. Die Zielobjektdefinitionsdaten bestehen aus den Koordinaten der Mehrfachstrahlposition an der Materialoberfläche und einer Reihe von Mehrfachstrahlparametern, die spatiotemporale Verteilung von Laserleistung auf dem Material definieren, was auch als ein Strahlformungsverfahren bezeichnet werden kann. In einer Zeitsequenz von Mehrfachstrahlrasterung entlang der Pulverbettoberfläche werden Zielobjektdaten an die Strahlrasterungssteuerung (300.3) gesendet. Die Strahlrasterungssteuerung (300.3) liefert die Mehrfachstrahlpositionskoordinaten an das Strahlrasterungssystem (100.4), das die Positionierung der Konfiguration von Strahlen auf der Pulverbettoberfläche auf Grundlage der Zielobjektdefinition (300.4) bereitstellt. Eine Untergruppe der Zielobjektdefinitionsdaten (300.0), die die Reihe von Mehrfachstrahlparametern beinhaltet, die das Strahlformungsverfahren definieren, werden durch die Strahlrasterungssteuerung (300.3) an die Strahlformungssteuerung (618) des nachfolgend beschriebenen MOPA-Systems (600) gesendet. Das Verarbeiten, Empfangen und Übertragen der Zielobjektdefinition kann durch einen oder mehrere Prozessoren oder Vorrichtungen durchgeführt werden und kann durch Prozessoren durchgeführt werden, die auf verschiedene Arten angeordnet und konfiguriert sind. Angesichts der Offenbarung hierin werden sich dem durchschnittlichen Fachmann alternative Umsetzungen ergeben. Zum Beispiel könnten in einer Umsetzung die Strahlrasterungssteuerung (300.3) und die Strahlformungssteuerung (618) der gleiche Prozessor, die gleiche Steuerung oder die gleiche Vorrichtung sein, sodass ein Teil oder die Gesamtheit der Zielobjektdefinition für unterschiedliche Verfahren oder Funktionen, die auf der einzelnen Steuerung ausgeführt werden, bereitgestellt werden kann, die dann Steuersignale an andere Vorrichtungen bereitstellen könnten.
Faserarraylaserkopf und Erfassungsmodule
In diesem Abschnitt erörtern wie die grundlegende Hardware, die in den offenbarten AMBFA-LAM-Systemen und -Verfahren für AM bei Metallen mit Faserarraylaserquellen und adaptiver Mehrfachstrahlformung verwendet werden. Die offenbarte Auswahl an Elementen, Modulen und Untersystemen, umfassend das AMBFA-LAM, sowie deren Kombination und Funktionen sind auf neuartige Weisen angeordnet und konfiguriert, um insbesondere die Erfordernisse für die adaptive Strahlformung in LAM-Anwendungen anzugehen. Daraus resultierend beinhaltet die AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) eine Vielzahl von innovativen Elementen, Modulen, Untersystemen und Funktionen, die für metallische LAM-Anwendungen nützlich sind.
Die AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) in den 3 und 4 kann mit unterschiedlichen Konfigurationen für den Faserarraylasertransmitter (400), auch als Faserarraylaserkopf bezeichnet, und für das optische Mehrfachkanalleistungsverstärker (MOPA)-System mit Steuerungen (600) zusammengesetzt sein. Die AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) kann auch integrierte Pulverbett- oder Materialerfassungsmodule (500), Strahlbildungsoptik (100.5) und ein Strahlrasterungs (Scan-)system (100.4) beinhalten. 5 zeigt eine perspektivische Vorderansicht einer beispielhaften Faserarraytransmittervorrichtung (400) mit angebrachten Erfassungsmodulen (500). Der Faserarraylaserkopf (400) wird dazu verwendet, einen einzelnen oder mehrere Laserstrahlen (403.0), die in einer Verarbeitungsregion (200.2) auf der Pulverbettoberfläche (100.8) fokussiert sind, unter Verwendung der Strahlbildungsoptik (100.5) zu übertragen. Die Brennpunkte der übertragenen Strahlen können über der Pulverbettoberfläche unter Verwendung eines Strahlrasterungs (Scan-)systems (100.4) gerastert werden. Wie vorstehend erörtert, können Ausführungsformen dieser Technologie Systeme mit Drahtzufuhr oder direkter Deposition anstelle eines Pulverbetts verwenden, wobei in diesem Falls ein Strahlrasterungssystem (100.4) ersetzt oder modifiziert sein kann, um einen Strahl und Draht oder einen Strahl und eine Materialdepositionsdüse zu bewegen und auszurichten.
Die Materialerfassungsmodule (500) werden zur Charakterisierung von Folgendem verwendet: (a) Pulverpartikel von der LAM-Verarbeitung, (b) Schmelzbad während der LAM-Verarbeitung und (c) verfestigt zu Metallbahn unmittelbar nach der Verarbeitung. Diese Metallerfassungsmodule können auch Feedforward- und/oder Feedback-Steuerung von Eigenschaften für die auf die Pulverbettoberfläche projizierten Laserstrahlen bereitstellen, was dazu verwendet werden kann, LAM-Produktivität und -Qualität zu verbessern. Die Materialerfassungsmodule (500) können in den Faserarraylaserkopf integriert sein oder daran angebracht sein, wie in 5 und 6 veranschaulicht, oder können ein Teil des Strahlbildungs- (100.5) oder Strahlrasterungssystems (100.4) sein oder können unabhängig von diesen Vorrichtungen verwendet werden. Die Materialerfassungsmodule (500) kann einen oder mehrere Bildgebungssensoren (500.4), einen oder mehrere Sondenlaserilluminatoren (500.1) und andere Komponenten umfassen. Die Materialerfassungsmodule (500) können auch identische oder unterschiedliche Wellenlängen nutzen und einen oder mehrere optische Empfänger (500.2) und einen oder mehrere Sondenlasersendeempfänger (500.3) beinhalten.
Die Faserarraylaserkopfvorrichtung (400) in 5 ist so gezeigt, dass sie aus einer Reihe von dicht gepackten faserbasierten Lasertransmittern (400.3) besteht, die Laserstrahlen (kleine Strahlen) überträgt, die für selektives Mehrfachstrahlschmelzen (SLM) bei metallischem LAM verwendet werden. Das Array von kleinen Strahlen wird auch als ein kombinierter Strahl bezeichnet [19]. Die faserbasierten Lasertransmitter (400.3) können in einem oder mehrere Faserarray-Cluster (400.1) integriert sein, die unter Verwendung des einen oder der mehreren faserbasierten Lasertransmitter konstruiert sind, wie in 5 gezeigt. Obwohl die Ausführungsform aus 5 einen Faserarraytransmitter mit drei Faserarray-Clustern (400.1) zeigt, bestehend aus sieben dicht gepackten faserbasierten Lasertransmittern (400.3), auch bezeichnet als unterteilte Öffnungen, können die Anzahl der unterteilten Öffnungen und die Anzahl von Faserarray-Clustern auf Grundlage von Faktoren wie Preis, gewünschter Größe und Fähigkeiten der Vorrichtung (400) und anderen Faktoren variieren. 6 zeigt zusätzlich eine 3D-Ansicht (410.0) eines beispielhaften Faserarraylaserkopfsystems (400), bestehend aus einem einzelnen Faserarray-Cluster mit sieben dicht gepackten faserbasierten Lasertransmittern. Der Faserarray-Cluster (410.0) in 6 weist vier daran angebrachte Erfassungsmodule (500) auf.
Die Ausführungsform aus 7 zeigt ein beispielhaftes faserbasiertes Lasertransmitter (FBLT)-Modul (400.3). das integrierte dicht gepackte Array der FBLT-Module bilden den Faserarraylaserkopf (400) zur Übertragung von Mehrfachstrahlen (403.0). Das FBLT-Modul verfügt über integrierte Fähigkeiten für elektronische Ausrichtung und Lenkung des übertragenen Strahls (403.0) auf der Pulverbett- oder einer anderen Materialoberfläche. Zu zusätzlichen Fähigkeiten können die Divergenzsteuerung des übertragenen Strahls beinhalten, die eine elektronische Steuerung der Breite des Laserstrahlbrennpunkts (100.9) auf dem Pulverbett oder dem Material ermöglicht. Die offenbarten Verfahren und Algorithmen für steuerbare Formung von räumlicher Verteilung von Laserleistung auf dem Pulvermaterial für LAM, wie nachfolgend beschrieben, nutzen die Fähigkeiten des FBLT-Moduls für Ausrichtung, Lenkung und Breitensteuerung des Brennpunkts für den übertragenen Strahl.
Das FBLT-Modul kann einen oder mehrere integrierte Sensoren (403.9), (403.10) und (403.18), hier auch bezeichnet als Strahlsensoren (60), für Echtzeitmessungen von Polarisierung, Kolbenphase und Leistung des übertragenen Strahls beinhalten. Die Ausgabesignale von Polarisierungs- (403.11) und Kolbenphasensensoren (403.12) können zur Stabilisierung (Verriegelung) von Polarisierungszuständen (Polarisierungsverriegelung) und Kolbenphasen (Phasenverriegelung) der durch den Faserarraylaserkopf (400) übertragenen Mehrfachstrahlen unter Verwendung der entsprechenden Steuerungen des MOPA-Systems (600), wie nachfolgend beschrieben, genutzt werden. Die Ausgabesignale (403.11), (403.12) und (403.19) werden für das MOPA (600) bereitgestellt. Polarisierungs- und Phasenverriegelungsfähigkeiten sind Teil der offenbarten Techniken für spatiotemporale Steuerung von Mehrfachstrahlintensitätsverteilung für LAM. Wie in 3 gezeigt, kann das MOPA-System (600) auch dazu konfiguriert sein, Signale (618.1) von Strahlformungssteuerungen (618) bereitzustellen und Signale von Strahlsensoren (60) zu empfangen, die einen oder mehrere von Phasen- (403.10), Polarisierungs-(403.9) und Leistungssensoren (403.18) umfassen können.
Das FBLT-Modul in 7 verwendet ein optisches Strahlbildungssystem (403.1), bestehend auch einer einzelnen Linse oder mehreren Linsen und/oder Spiegeln. Dieses optische System wandelt den Laserstrahl, der von der Spitze der Bereitstellungsfaser (403.3) ausgesendet wird, in einen kleinen Ausgabestrahl (403.0). Ein beispielhaftes Strahlbildungssystem (400.3) in 7 besteht aus drei Linsen: kleine Kollimierungs-(403.15) und negative (403.14) Linsen und eine Ausgabestrahlbildungslinse (403.17). Die optische Energie, die in das FBLT in der Form eines Einfachmodus-Laserstrahls in Gauß-Form eintritt, wird durch das MOPA-Fasersystem (600) bereitgestellt. Um die Fähigkeit von winkliger Ausrichtung und Lenkung für den übertragenen Laserstrahl bereitzustellen, kann das Endstück der optischen Bereitstellungsfaser (403.2) mit der Faserspitze (403.3) innerhalb eines Faserspitzenpositionierungsmoduls (403.4), das elektronisch gesteuerte x- und y-Verschiebungen der Faserspitze in Richtungen rechtwinklig zu der Laserstrahlausbreitungsachse bereitstellen kann, zusammengesetzt sein [20, 21]. Die Faserspitzenverschiebung resultiert in winkliger Abweichung des übertragenen Laserstrahls und entsprechender Verschiebung des Brennpunktfußabdrucks (100.9) auf der Pulverbett- oder sonstigen Materialoberfläche. Die Steuerung der x- und y-Verschiebungen der Faserspitze erfolgt unter Verwendung elektrischer Signale (403.5), die durch die Steuerung (403.6) als Reaktion auf Eingangssignale (618.1) von der Strahlformungssteuerung (618) der MOPA-Systems (600) generiert werden.
Winklige Lenkung für den übertragenen Laserstrahl kann auch unter Verwendung des offenbarten Linsen-x/y-Positionierungsmoduls (403.13) umgesetzt werden, das zu steuerbarer x- und y-Hochpräzisionsverschiebung einer kleinen negativen Linse (403.14), einem Teil des optischen Strahlbildungssystems (403.1), in Richtungen rechtwinklig zu der Laserstrahlausbreitungsachse in der Lage ist. Die x- und y-Verschiebungen der Linse resultieren in Schwankungen der Wellenfrontspitze des ausgehenden Strahls, was zu einer winkligen Abweichung der Ausbreitungsrichtung des übertragenen Laserstrahls führt. Die x-y-Positionssteuerung der Linse erfolgt durch Anwendung von elektrischen Steuersignalen (403.5), die in der Steuerung (403.6) unter Verwendung der Eingabesteuersignale (618.1) von der Strahlformungssteuerung (618) des MOPA-Systems (600) generiert werden. Ein Teil des Strahls innerhalb des Strahlschweifbereichs (403.8) wird durch Öffnung der Strahlbildungsoptik abgeschnitten und zum Erfassen von Strahleigenschaften mit den Strahlsensoren (60) verwendet.
Das FBLT-Modul (400.3) in 7 kann zusätzliche Fähigkeiten zur Divergenzsteuerung des übertragenen Strahls beinhalten, was wiederum die Größe der Brennpunkte ändert, die auf die Pulverbett- oder Materialoberfläche projiziert werden. Die Strahldivergenzsteuerung kann unter Verwendung des offenbarten Linsen-z-Positionierungsmoduls (403.16) umgesetzt werden, das zu steuerbarer Verschiebung einer kleinen Linse (403.15) entlang der Laserstrahlausbreitungsrichtung (entlang der optischen z-Achse) in der Lage ist.
Optisches Mehrfachkanalleistungsverstärker (MOPA)-Fasersystem
Grundlegende Faseroptik-Hardware mit Steuerung, hierin als optisches Mehrfachkanalleistungsverstärker (MOPA)-Fasersystem bezeichnet, das ein Teil der AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) ist, ist in den 3 und 4 veranschaulicht. Das MOPA-System (600) wird für die Bereitstellung von Laserleistung an den Faserarraylaserkopf (400) und adaptive Strahlformung in den beschriebenen Anwendungen von metallischem LAM verwendet.
Die schematische Darstellung eines beispielhaften MOPA-Fasersystems (600) ist in 8 gezeigt. Das MOPA-System (600) in 8 ist als aus den folgenden grundlegenden Modulen zusammengestellt gezeigt:
Ein Einzelmodus-Seedlaser mit enger Linienbreite (601) mit einem optischen Modul, das Laserstrahlkopplung in eine Einzelmodus-Polarisierungsaufrechterhaltungs (polarization maintaining - PM)-Faser (602) bereitstellt.
Der Laserstrahl des Seedlasers, der in eine Einzelmodus-PM-Faser gekoppelt ist, tritt in Fasersplitter (606) ein, die nahezu gleichförmig den Eingangsstrahl zwischen mehreren (von 1 bis N) Einzelmodus-PM-Faserkanälen (606.1) teilen. Die Anzahl von Faserkanälen (606.1) entspricht der Anzahl von Strahlen, die durch den Faserarraystrahllaserkopf (400) übertragen werden. Vor dem Splitten in Faserkanäle (606.1) kann der Laserstrahl durch einen Faservorverstärker (605) verstärkt werden und bei einigen LAM-Anwendungen mit hoher optischer Leistung zusätzlich phasenmoduliert werden, um die Linienbreite zu erhöhen und somit nicht-lineare Effekte in Fasern zu verringern [22]. Die Zunahme der. Linienbreite des Laserstrahls (Verbreiterung der Linie) erfolgt unter Verwendung eines speziellen elektronischen Linienverbreiterungsmoduls (603), das ein hohes (GHz-Rate) Zufallssignal an einen in die Faser integrierten Phasenmodulator (604) bereitstellt [23, 24]. Es ist zu beachten, dass in einigen Umsetzungen keine Linienverbreiterung erforderlich sein kann, wenn ein Seedlaser mit breiter Linie (602) verwendet wird.
Alle Faserkanäle (606.1) des MOPA-Fasersystems (600) in 8 bestehen aus identischen, in die Faser integrierten Komponenten. Aus diesem Grund zeigt die Ausführungsform aus 8 nur diese in die Faser integrierten Komponenten für einen einzelnen Faserkanal (606.2). Nach dem Splitten in N Kanäle in den Fasersplittern (606) läuft jeder Laserstrahl durch einen steuerbaren Phasenwechsler (607), beispielsweise auf Grundlage Lithiumniobat (LiNbO₃) [23]. Die Phasenwechsler des MOPA-Systems führen steuerbare Variationen (Modulationen) von optischen Wegeunterschieden (optical path differences - OPD) in den Faserkanälen (606.1) ein. Die steuerbaren Modulationen der OPD werden durch die Kolbenphasensteuerung (615) eingeführt und resultieren in den entsprechenden Änderungen der mittleren Öffnungs- (Kolben-)phasen der übertragenen kleinen Strahlen (403.0). Steuerspannungen (617), die an den Phasenwechslern (607) anliegen, werden in einer Kolbenphasensteuerung (615) unter Verwendung von einem oder einem anderen Strahlbildungsverfahren, wie nachfolgend detaillierter beschrieben, generiert.
In Verbindung mit dem hierin offenbarten adaptiven Strahlformungsverfahren kann diese Kolbenphasensteuerung in den folgenden Steuerregelungen, die nachfolgend beschrieben sind, betrieben werden: Phasenrandomisierung (615.1), Stufenmodus-Strahllenkung (615.2), Phasenverriegelung (615.3) und Zeit-Multiplexing-Steuerung (616). Die Zeit-Multiplexing-Steuereinheit (616) wird dazu verwendet, die Steuerregelungen der Kolbenphasensteuerung (615) auszuwählen und/oder rechtzeitig zu multiplexen.
Nach dem Durchlaufen der Phasenwechsler (607) werden die Laserstrahlen mit modulierten OPD unter Verwendung der Leistungsfaserverstärker (611) verstärkt und treten durch Bereitstellungsfasern (403.2) in das Array von faserbasierten Lasertransmittern (FBLT) der Faserarraylaserkopfbaugruppe (400) ein. Die FBLT-Module (400.3) sind vorstehend beschrieben und in 7 veranschaulicht.
In den Strahlformungsanwendungen für LAM, die zusätzliche Steuerung der Polarisierungszustände der übertragenen Strahlen erfordern, werden die PM-Fasern durch den Faserspleißpunkt (608) mit Nicht-PM-Bereitstellungsfasern gespleißt, wie in 8 gezeigt. Dementsprechend können in diesem Fall die Leistungsfaserverstärker (611) auch auf Nicht-PM-Einzelmodusfasern basieren. In diesen Anwendungen wird die Steuerung der Polarisierungszustände der übertragenen Strahlen unter Verwendung der Polarisierungssteuerungen (610) durchgeführt, die dazu konfiguriert ist, Signale (619.3) von der Strahlformungssteuerung (618) zu empfangen. Die Steuersignale werden auf die Polarisierungseinsteller (609) angewendet. Die Polarisierungssteuerung (610) empfängt Signale (403.11) von den Polarisierungssensoren (403.9). Diese Sensoren könnten entweder extern in Bezug auf das Faserarraylasersystem (400) sein oder in das Faserarraysystem (400) integriert sein, wie durch (403.9) in 7 gezeigt.
Es ist zu beachten, dass die Polarisierungssteuerung, die in identischen Polarisierungszuständen für alle durch übertragenen Faserarraystrahlen resultiert, auch bekannt als Polarisierungsverriegelung, im Allgemeinen für Hochleistungs- (kW-Klasse) Faserarraysysteme erforderlich ist, die absichtlich Nicht-PM-Faser und Faser-Elemente in dem MOPA-System verwenden, um nicht-lineare Effekte in Fasern zu reduzieren [22]. In den MOPA-Fasersystemen auf Grundlage von PM-Einzelmodus oder PM-Fasern mit einer Niedrigmodusnummer (low-mode-number - LMN) kann Polarisierungsverriegelung nicht erforderlich sein. In den LAM-Anwendungen, die keine Kolbenphasen- und Polarisierungssteuerung zum Strahlformen erfordern können, kann das MOPA-System (600) auf Nicht-PM-Fasern und Faserkomponenten und Untersystemen basieren oder diese darin beinhalten. In dieser MOPA-Systemkonfiguration, bezeichnet als inkohärentes MOPA, sind die Phasenwechsler (607) und Polarisierungseinsteller (609) sowie die entsprechenden Kolbenphasen- und Polarisierungssteuerungen und -sensoren nicht erforderlich. Das AMBFAL-LAM-System (300) mit dem inkohärenten MOPA verfügt über reduzierte adaptive Strahlformungsfähigkeiten, die elektronische Ausrichtung, Lenkung und Brennpunktsteuerung auf der Pulverbett- oder sonstigen Materialoberfläche für die übertragenen kleinen Strahlen (403.0) beinhalten kann.
AMBFA-LAM-Strahlbildungs- und Rasterungssysteme
Unter Umsetzung der nachfolgend beschriebenen Konfiguration der Faserarraylaserkopfvorrichtung (400), hier als auf einer virtuellen Linse basierender Faserarraylaserkopf bezeichnet, und einem Verfahren zum ausgewählten Laserschmelzen (SLM), bezeichnet als Remote-SLM, kann das AMBFAL-LAM-System (300) in 3 ohne externe Strahlbildungsoptik (100.5) verwendet werden, beispielsweise ohne eine herkömmliche F-Theta-Strahlfokussierungslinse [25] und/oder ohne ein herkömmliches System zur Strahlrasterung (104), beispielsweise auf Grundlage von Galvo-Scattern [26]. Dieser auf einer virtuellen Linse basierende Faserarraylaserkopf (401) ist in 9 veranschaulicht. In dieser Veranschaulichung generiert der Faserarraylaserkopf (401) des AMBFA-LAM-Systems ein Array von fokussierten Strahlen, deren Brennpunkte sich auf der Pulverbett- oder Materialoberfläche befinden, die einen vordefinierten Abstand L von dem Laserkopf entfernt ist.
Bei der auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopfbaugruppe (401) enthält jedes faserbasierte Lasertransmitter (FBLT)-Modul (400.3), das in 7 gezeigt ist, eine optisches Strahlbildungssystem (403.1), das dazu ausgestaltet ist, kleine Strahlen in einem Abstand L von dem Laserkopf zu fokussieren. Um die Brennpunkte des Strahls in der Verarbeitungsregion auf der Pulverbett- oder Materialoberfläche zu überlappen oder zu positionieren, werden die faserbasierten Lasertransmittermodule (400.3) innerhalb einer speziell gestalteten Befestigungshalterung (400.1) mit vorberechneten Winkeln {α_J} (j=1, ..., N), die von einem ausgewählten Abstand L zu dem Werkstück abhängig sind, wie in 9 veranschaulicht, zusammengesetzt. Die auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopfbaugruppe (401) zentriert die Brennpunkte der Strahlen innerhalb eines festgelegten Zielpunktbereichs des Werkstücks, ähnlich dem, was mit einer Strahlbildungsoptik mit großer Öffnung (100.5) erreicht werden kann, beispielsweise einer herkömmlichen oder F-Theta-Linse vor dem Faserarraylaserkopf (400), bestehend aus faserbasierten Transmittermodulen (400.3), die kollimierte Ausgabestrahlen (403.0) produzieren, wie in 3 und 6 gezeigt.
Der Abstand L zwischen dem auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopf (401) und der Pulverbettoberfläche (100.8) kann auf Grundlage von technologieabhängigen Erfordernissen festgelegt werden und könnte die obere Grenze von 20-50 cm bei aktuell verwendeten metallischen 3D-Drucksystemen, die herkömmliche spiegelbasierte Scanner, beispielsweise Scanner mit Galvo-Spiegeln, verwenden, signifikant übersteigen [26]. Die Möglichkeit von signifikanter (drei- bis fünffacher) Zunahme des Abstands L zwischen dem Laserkopf und dem Ausgangsmaterial, die mit der offenbarten, auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopfvorrichtung (401) erreicht werden kann, ohne eine inakzeptable Vergrößerung der kombinierten Laserstrahlbrennpunktgröße zu verursachen und ohne das Erfordernis einer zusätzlichen schweren und teuren Strahlbildungsoptik mit großer Öffnung ist sehr wünschenswert. Ein derartiges LAM mit vergrößerter Reichweite (Remote) verhindert eine Kontamination des Laserkopfs und der Sensoroptik durch die Wärme und Schmutz, die in der Wärmeeinflusszone (heat affected zone - HAZ) auf der Pulverbett- oder Materialoberfläche generiert werden. Es ist zu beachten, dass zum Beibehalten der Brennpunktgröße bei Zunahme des Strahlfokussierungsabstands L die Größe der optischen Öffnung des Faserarraylaserkopfs proportional vergrößert werden kann und Verriegelung von Kolbenphasen der kleinen Strahlen bereitgestellt werden kann.
Mit einem größeren Abstand L von dem Werkstück wird zusätzlich ein Austausch von herkömmlichen spiegelbasierten Strahlrasterungssystemen gegen ein x-y-Gerüstsystem mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit (404.0), wie in 9 und 10 veranschaulicht, ermöglicht. 10 zeigt ein Strahlrasterungssystem unter Verwendung eines auf einer virtuellen Linse basierten Faserarraylaserkopfs und eines x-y-Gerüstsystems (404.2). Für die kombinierte Strahlrasterung auf der Pulverbett- oder Materialoberfläche könnte der auf einer virtuellen Linse basierende Faserarraylaserkopf (401) entweder direkt an der Gerüstplattform (404.0) angebracht sein und sich mit diesem zusammen bewegen, wie in 9 gezeigt, oder dazu verwendet werden, eine einfache Baugruppe von Strahlausrichtungsspiegeln, die an dem x-y-Gerüstsystem angebracht sind, zu beleuchten, wie in 10 veranschaulicht, wobei an dem Gerüstsystem angebrachten Spiegel M₁ und M₂ Brennpunktausrichtung zu der Pulverbettoberfläche (100.8) bereitstellen. Der Spiegel M₁ ist an der beweglichen Plattform (404.1) angebracht, die sich in x-Richtung bewegt, während sowohl der Spiegel M₁ als auch der Spiegel M₂ unabhängig voneinander in rechtwinkliger y-Richtung bewegt werden kann, wodurch Strahlrasterung bereitgestellt wird. Da der Abstand L zwischen dem Laserkopf (401) und dem Pulverbett (100.8) während der Strahlrasterung variiert, ist zu beachten, dass sich die charakteristische Brennpunktgröße d ebenfalls ändert. Bei einem langen Abstand L und einem relativ kleinen LAM-Arbeitsbereich ist dieser unerwünschte Effekt von Brennpunktgrößenänderung klein. Andernfalls kann bei einer LAM-Verarbeitung in einem großen Bereich der Effekt von Brennpunktgrößenänderung unter Verwendung der entsprechenden steuerbaren Änderung der Brennweite der faserbasierten Transmitter (400.3) mit Linsen-z-Positionierungsmodulen (403.16) in 7 minimiert werden. Eine andere mögliche Option ist in 11 veranschaulicht, in der ein Strahlrasterungssystem unter Verwendung eines Faserarraylaserkopfs mit kollimierten Strahlen und x-y-Gerüstsystem (404.5) gezeigt ist. Bei diesem Mehrfachstrahlrasterungsverfahren generiert der Faserarraylaserkopf (400) kollimierte Strahlen, die auf der Pulverbett- oder Materialoberfläche unter Verwendung der Fokussierlinse (404.4) fokussiert sind. Diese Linse in an der sich bewegenden x-Richtungsplattform (404.3) unmittelbar hinter dem Ausrichtungsspiegel M₁ angebracht und bewegt sich zusammen mit diesem Spiegel.
Zusammenfassend erlauben die offenbarten Systeme und Verfahren für Remote-Mehrfachstrahllaserleistungsdeposition in die Pulverbett- oder Materialoberfläche mit dem auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopf und dem auf einer x-y-Gerüstplattform basierenden Strahlrasterungssystem Folgendes: (a) Eliminierung von herkömmlicher Strahlbildung (100.5), z. B. F-Theta-Linse, und Strahlrasterung (100.4), z. B. auf Galvo-Spiegeln basiertes Systems, (b) Zunahme des Arbeitsbereichs am Fertigungspunkt, wodurch zusätzliche Flexibilität bei LAM bei der Fertigung von größeren Teilen bereitgestellt wird, und (c) Verringerung der durch den Laserstrahl induzierten Wärmeauswirkung sowohl auf LAM-gebaute Teile als auch auf die Laserstrahlbereitstellungsoptik.
AMBFA-LAM-Materialerfassungssysteme
Dieser Abschnitt beschreibt die hier offenbarten Erfassungsverfahren und -vorrichtungen, die entweder für In-situ-Leistungscharakterisierung des LAM-Prozesses oder zur Feedforward- und Feedback-Steuerung der Mehrfachstrahlparameter und spatiotemporalen Intensitätsverteilung auf der Pulverbettoberfläche oder der Materialoberfläche oder für beides verwendet werden können. Diese Erfassungsverfahren und -systeme beinhalten:

(a) Verfahren und Systeme zur Charakterisierung von Pulverpartikeln vor dem LAM-Verarbeitungsstrahl, hier bezeichnet als Pulverpartikelerfassung (powder particles sensing - PPS);
(b) Verfahren und Systeme zum Erfassen von zu Metall verfestigtem Pulvermaterial in der Wärmeeinflusszone hinter dem Verarbeitungsstrahl, hier bezeichnet als Verarbeitungsspurerfassung (processed-track sensing - PTS); und
(c) Verfahren und Systeme zur Charakterisierung des Schmelzbads, hier bezeichnet als Schmelzbaderfassung (molten pool sensing - MPS).

Die offenbarten Erfassungsverfahren basierend auf aktiver Abtastung der Pulverbettoberfläche oder Materialoberfläche mit Sondenlaserstrahlen zur In-situ-Charakterisierung von Folgendem: (a) Pulvermaterial vor dem Verarbeitungsstrahl, (b) innerhalb der Verarbeitungsregion und (c) nach Materialverfestigung zu metallischer Verarbeitungsspur. Neben der auf einem Sondenlaser basierten Erfassung können die AMBFA-LAM-Materialerfassungsfähigkeiten durch passive Bildgebung in sichtbaren, Nah-, Mittel- und Ferninfratotspektralbändern verbessert werden. Die schematische Darstellung aus 12 veranschaulicht die Materialerfassungsmodule, darunter: das Pulverpartikelerfassungs (PPS)-Modul (500.5), das Schmelzbaderfassungs (MPS)-Modul (500.6) und das Verarbeitungsspurerfassungs (PTS)-Modul (500.7).
Die AMBFA-LAM-Materialsensoren nutzen einen oder mehrere Sondenstrahllaserilluminatoren (500.1) und einen oder mehrere optische Empfänger (500.2). Die Sensoren können bei einer Wellenlänge betrieben werden, die sich von dem Verarbeitungsstrahl (402.0) unterscheidet oder mit diesem identisch ist.
Materialerfassungsmodule können entweder an dem Faserarraylaserkopf (400), wie in 12 veranschaulicht, oder an dem auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopf (401) in 9 und 13 direkt angebracht sein oder können an einer sich bewegenden Plattform des x-y-Gerüstsystems (404.1), wie in 10 und 11 veranschaulicht, angebracht sein und sich somit mit dem Verarbeitungsstrahl (402.0) in einer Scanrichtung (500.11) entlang der Verarbeitungsspur (500.8) bewegen, wodurch ein Schmelzbad (500.9) erzeugt wird und eine zu Metall verfestigte Spur (500.10) zurückbleibt, wenn das Schmelzbad (500.9) abkühlt, wie in 12 veranschaulicht.
Eine symbolische schematische Darstellung eines Materialerfassungsmodules, bestehend aus einem Sondenstrahllaserilluminator (500.1) und einem optischen Empfänger (500.2), ist in 14 veranschaulicht. Der Sondenstrahllaserilluminator (probe beam laser illuminator - PBLI) und der optische Empfänger können in eine einzelne Sondenstrahllasersendeempfänger (probe beam laser transceiver - PBLT)-Vorrichtung (520.3), veranschaulicht in 15, integriert sein. Der PBLT überträgt einen Sondenlaserstrahl (300.1) auf Grundlage von einem oder mehreren Sondenstrahlsignalen (523.5) von einer PBLI-Steuerung (523.6) und empfängt das zurückgestrahlte Licht (500.12). Die auf Sondenstrahllasersendeempfängern basierenden offenbarten Sensoren werden nachfolgend erörtert.
Die schematische Darstellung eines beispielhaften auf einer virtuellen Linse basierenden Faserarraylaserkopfs (401) mit angebrachten Erfassungsmodulen ist in 13 gezeigt. Die Erfassungsmodule beinhalten: Pulverpartikelsensor (500.5), Verarbeitungsspursensor (501.0) und Schmelzbadsensor (500.6). Sowohl der Pulverpartikelsensor (PPS) als auch der Verarbeitungsspursensor (PTS) basiert auf den Sondenstrahllasersendeempfängern (520.3), die in 15 veranschaulicht sind, während der Schmelzbadsensor (MPS) sowohl die optische (500.2) als auch die Speckle-Bildgebungsempfängervorrichtung (500.13) beinhaltet, die in 13 und 14 veranschaulicht und nachfolgend beschrieben sind.
Die schematische Darstellung aus 14 veranschaulicht ein Materialerfassungsmodul bestehend aus dem Sondenstrahllaserilluminator (500.1) und dem optischen Empfänger (500.2). Dieser Materialsensor kann als ein Pulverpartikelsensor (500.5), ein Schmelzbadsensor (500.6), ein Verarbeitungsspursensor (500.7) oder eine beliebige Kombination davon verwendet werden. Es ist zu beachten, dass diese Materialerfassungsmodule auf dem Sondenstrahllasersendeempfänger (520.3) basieren können, der in 15 veranschaulicht und nachfolgend beschrieben ist.
Die optische schematische Darstellung und die Funktionen der PBLI-Vorrichtung (500.1) in 14 sind ähnlich dem faserbasierten Lasertransmitter (400.3), der vorstehend beschrieben und in 7 abgebildet ist. Die PBLI-Vorrichtung verwendet einen Einzelmodus-Sondenstrahllaser (523.15), der den Laserstrahl in einer Einzelmodusfaser (523.2) koppelt. Der in der Faser gekoppelte Strahl wird an die Faserspitze (403.3) bereitgestellt, die innerhalb eines Faserspitzen-x-y-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.4) eingebaut ist, wie vorstehend beschrieben. Das PBLI-Strahlbildungssystem (523.1) stellt ein größenskaliertes Abbild der Faserspitze an der Materialoberfläche bereit, was in der Bildung eines Sondenstrahlbrennpunkts auf dem Fertigungsmaterial resultiert. Die Größe des Sondenstrahlbrennpunkts kann beispielsweise in der Größenordnung des Verarbeitungsstrahlbrennpunkts liegen oder kleiner sein. Das Faserspitzenpositionierungsvorrichtungsmodul (403.4) in der PBLI-Vorrichtung (500.1) wird für Folgendes verwendet: (a) den Sondenstrahlbrennpunkt entlang der Verarbeitungsstrahlspur (entlang des Verarbeitungskontur des LAM-Bauteils) mit einem voreingestellten Versatz in Bezug auf den Verarbeitungsstrahlbrennpunkt zu zentrieren, und (b) den Sondenstrahlbrennpunkt schnell (Geschwindigkeit von mehreren kHz) in einer Richtung rechtwinklig zur der Spurlinienrichtung (501.1) zu scannen, wie in 13 veranschaulicht. Der Versatzabstand zwischen den Brennpunkten des Verarbeitungsstrahls und des Sondenstrahls und die Scangeschwindigkeit werden durch die Steuerung der Pulverbettsensoren (620), gezeigt in 14 und 8, eingestellt. Die PBLI-Vorrichtung (500.1) kann zusätzliche Fähigkeiten zum Steuern der Größe des Sondenstrahlbrennpunkts unter Verwendung des Linsen-z-Positionierungsmoduls (403.16), ähnlich dem beschriebenen faserbasierten Lasertransmitter (FBLT)-Modul in 7, beinhalten. Das Brennpunktscannen kann auch unter Verwendung eines Linsen-x/y-Positionierungsmoduls (523.13) erfolgen, das ebenfalls sowohl in 14 als auch 7 gezeigt und vorstehend beschrieben ist.
Das Materialerfassungsmodul in 14 beinhaltet einen optischen Empfänger (500.2), der aus einer Empfängeroptik (523.1), beispielsweise einer Linse, und einem Fotodetektor (523.7) besteht. Der optische Empfänger (500.2), der die Leistung und andere Eigenschaften des zurückgestrahlten Lichts (500.12) innerhalb der Eingangsöffnung der Empfängeroptik misst, wird hier als der optische Power-in-the-Bucket (PIB)-Empfänger bezeichnet. Ein anderer Typ von optischem Empfänger, der in den Pulverbetterfassungsmodulen verwendet werden könnte, wird hier als Speckle-Bildgebungsempfänger (speckle-imaging receiver - SIR) bezeichnet. Beim optischen Empfänger vom Speckle-Bildgebungstyp wird ein Bildgebungsfotoarray anstelle des Fotodetektors (523.7) verwendet. Die Empfängeroptik (523.1) der Vorrichtung vom SIR-Typ ist so gestaltet, dass sie ein skaliertes Abbild eines zurückgestrahlten Speckle-Felds in einem ausgewählten Abstand L_sp zwischen der Materialoberfläche und der Eingangsöffnung der Empfängeroptik (523.1) bereitstellt. Es ist zu beachten, dass in dem Fall, dass der Schmelzbadsensor (MPS) bei der Verarbeitungsstrahlwellenlänge betrieben wird, der Sondenstrahllaserilluminator nicht erforderlich ist. Optische Empfänger von derartigen MPS-Vorrichtungen, entweder PIB oder SIR oder beide, verwenden zurückgestrahltes Licht des Verarbeitungsstrahls, wie in 13 veranschaulicht, durch den Schmelzbad-PIB- (500.6) und Speckle-Bildgebungsempfänger (500.13). Für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis kann der optische Empfänger (500.2) einen Bandpassfilter (nicht gezeigt) beinhalten, das auf die optische Wellenlänge des Sondenstrahllaserilluminators eingestellt ist.
Der hier offenbarte und in 15 veranschaulichte Sondenstrahllasersendeempfänger (PBLT)-Sensor (520.3) kombiniert Funktionen des Sondenstrahllaserilluminators und des Power-in-the-Bucket-Empfängers. Der PBLT-Sensor (520.3) basiert auf einer Mehrfachkernfaser (multi-core fiber - MCF) anstelle einer herkömmlichen Einzelkernfaser, wie in dem Sondenstrahllaserilluminator (500.1) in 14. Die MCF weist einen mittigen Faserkern und einen oder mehrere periphere Faserkerne auf. Das konische Mehrfachkern-Faser-Verbindungselement (523.10) führt Licht von jedem Faserkern von einzelnen Fasern, bezeichnet als empfangene Fasern (523.3). Ein Sondenlaserstrahl ist in dem Mittelkern der MCF gekoppelt und erzeugt nach dem Durchlaufen des optischen PBLT-Strahlbildungssystems (523.1) einen Sondenstrahlbrennpunkt auf der Materialoberfläche. Das von der Materialoberfläche zurückgestrahlte Licht breitet sich zurück zu der PBLT-Sensoröffnung aus. Ein Teil des zurückgestrahlten Lichts wird in den peripheren MCF-Kernen gekoppelt und durch die konische Mehrfachkernfaserverbindungsvorrichtung (523.10) und die empfangenen Fasern (523.3) an den/die Fotodetektor(en) (5.23.7) bereitgestellt. Die durch die Fotodetektoren registrierten Fotoströme werden kombiniert und das entsprechende Signal (500.0) wird an die Strahlformungssteuerung (618) und/oder das Erfassungsdatensammel- und -analysemodul (530) des MOPA-Systems (600) bereitgestellt. Das MOPA-System (600) kann auch ein oder mehrere Steuersignale (520.0) an die Pulverbetterfassungsmodule (500) bereitstellen.
Verfahren zur LAM-Prozesscharakterisierung und - Steuerung auf Grundlage von Materialerfassung
In den offenbarten Materialerfassungsverfahren bewegen sich die Brennpunkte des Sondenstrahls und des Verarbeitungsstrahls zusammen mit einem konstanten Versatzabstand dazwischen. Dies ermöglicht Echtzeitcharakterisierung von Pulverpartikeln, Schmelzbad und Verarbeitungsspur über den gesamten Fertigungsprozess.
Eine Analyse des empfangenen Signals von dem PBLT-Sensor (520.3), der als der Pulverpartikelsensor (PPS) verwendet wird, stellt In-situ-Informationen über Ausgangsmaterialeigenschaften (z. B. Pulverpartikelabsorptionsvermögen, Größenverteilung und Packdichte) direkt vor dem Verarbeitungsstrahl bereit.
Gleichermaßen kann eine Analyse des Signals, das durch den PBLT-Sensor (520.3) registriert wird, der als Verarbeitungsspursensor (PTS) verwendet wird, dazu genutzt werden, die nachverarbeitete Region zu charakterisieren.
Gleichermaßen kann eine Analyse des Signals, das durch den PBLT-Sensor (520.3) registriert wird, der als Schmelzbadsensor (MPS) verwendet wird, dazu genutzt werden, die Schmelzbadregion zu charakterisieren. Es ist zu beachten, dass die MPS-Vorrichtung mit einer Wellenlänge betrieben werden kann, die sich von dem Verarbeitungsstrahl unterscheidet. Die Ausgabesignale der PBLT-Sensoren können zur Feedforward-Steuerung des Hauptstrahls verwendet werden.
In dem hier offenbarten Materialerfassungsverfahren kann der PBLT-Sensor (520.3) als ein konfokales Mikroskop betrieben werden und Live-Streaming-Bildmaterial einer kleinen Region der Materialoberfläche entlang einer Verarbeitungsspur vor dem, innerhalb des und hinter dem Verarbeitungsstrahl bereitstellen. Bei dem Betrieb mit konfokaler Bildgebung scannt der Sondenstrahlbrennpunkt dauerhaft in einer Richtung rechtwinklig zu der Verarbeitungsteilgegenrichtung, wie in 13 veranschaulicht. Mit einem Scansignal, das die Verarbeitungsstrahlgeschwindigkeit signifikant überschreitet, kann der PBLT einen Dauerstrom von Linienscanbildern der Materialoberfläche vor, innerhalb, hinter oder jeder Kombination davon in Bezug auf den Verarbeitungsstrahl aufzeichnen.
LAM-Prozesscharakterisierung und adaptive Strahlformung unter Verwendung des offenbarten Verfahrens können auf einer Analyse von statistischen Eigenschaften des zurückgestrahlten Sondenlichts basieren. Statistische Eigenschaften des Sondenstrahllichts, das von Materialoberflächen abgestrahlt wird, ist von der Mikrostruktur und Rauigkeit der illuminierten Pulverpartikel, von Oberflächeneigenschaften des Schmelzbads und von Eigenschaften der metallischen Oberfläche der Verarbeitungsspur abhängig. Diese Eigenschaften das zurückgestrahlten Lichts, wie durch die Materialsensoren gemessen, könnten zur LAM-Prozesscharakterisierung und adaptiven Strahlformung genutzt werden.
Hierin ist ein Verfahren zur In-situ-Charakterisierung von Materialien, die sich unter Verwendung einer Analyse des Sondenlaserstrahls, der von dem Material abgestrahlt wird, während eines LAM-Prozesses zu Metall verfestigen, offenbart. Das offenbarte Erfassungsverfahren kann auch zur LAM-Prozessparameteroptimierung und Feedforward-Steuerung verwendet werden. In diesem Verfahren für die Verarbeitungsspurcharakterisierung wird das Erscheinen von Kugelbildungsfehlern durch das Vorhandensein von relativ niederfrequenten und tiefen Schwankungen des empfangenen Signals angezeigt, wobei eine Zunahme der Anzahl von nicht vollständig geschmolzenen, gesinterten Pulverpartikeln und/oder Materialporosität über eine allgemeine Abnahme des Mittelwerts des empfangenen Signals erkannt werden könnten. Dies, empfangen aus den Materialsensordaten, kann zur Feedforward- und Feedback-Steuerung und Optimierung von LAM-Parametern während des Fertigungsprozesses genutzt werden.
Hierin ist ebenfalls ein Verfahren zur Schmelzbadcharakterisierung während des metallischen SLM des Pulverbetts mit den beschriebenen Materialsensoren offenbart. Unter idealen (gewünschten) LAM-Verarbeitungsbedingungen ist das Schmelzbar räumlich einheitlich (enthält keine getrennten Kugeln), nimmt die größtmögliche (für feste Gesamtlaserleistung) Fläche innerhalb der kombinierten Mehrfachstrahlgrundfläche ein und weist keine Verdampfungsströme und Spritzer auf. Bei diesen idealen Bedingungen wird der größte Teil der Leistung des zurückgestrahlten Laserlichts von dem Schmelzbad, das sich wie eine Spiegelfläche verhält, reflektiert. Bei einem Sondenstrahl, der in Bezug auf die Achse senkrecht zu der Materialoberfläche leicht gekippt ist, verfehlt das von dem Schmelzbad reflektierte Licht den optischen Empfänger vom PIB-Typ, was in einem niedrigen PIB-Messwert resultiert. Das Auftreten von Inhomogenitäten innerhalb dieses „perfekten“ Schmelzbads wird unabhängig von deren Ursache (Fluidströme, Kugelbildungsfehler, Spritzer etc.) in einer Verringerung der spiegelreflektierten zurückgestrahlten Lichtkomponente und einer breitwinkligen Lichtausbreitung von diesen Inhomogenitäten resultieren. Dies wird wiederum eine entsprechende Zunahme des registrierten PIB-Signal verursachen. Gleichermaßen, wenn das Schmelzbad zu klein ist und/oder die Strahlgrundfläche auf der Materialoberfläche einen signifikanten Teil der nicht zu Metall-verfestigten Pulver- oder Sinterpartikel abdeckt, wird das von diesen Partikeln abgestrahlte Licht in einem höheren PIB-Signalmesswert resultieren.
Diese auf der Physik basierenden Erwägungen deuten an, dass die Minimierung des registrierten PIB-Messsignals mit Feedback-Steuerung der Strahlformungsparameter, wie nachfolgend beschrieben, in der Bildung eines gleichmäßigen, optimal bemessenen Schmelzbads und somit in LAM-produzierten Teilen von hoher Qualität resultieren könnten. Es ist zu beachten, dass aufgrund der Note begrenzten Antwortzeit von metallurgischen Prozessen auf die durch das Steuersystem induzierten Änderungen in der Verteilung der Laserstrahlintensität adaptive Strahlformung auf eine Minimierung des zeitgemittelten PIB-Messsignals basieren kann.
Das während des beschrieben adaptiven Strahlformungsprozesses auf Grundlage von PIB-Messminimierung gebildete Schmelzbad kann in eine Form verfestigt werden, die aus Sicht von Teilefertigung von hoher Qualität nicht optimal oder wenigsten akzeptabel ist. Bestimmte Einschränkungen der Steuerparameter können zusätzlich genutzt werden, um das Schmelzbad innerhalb einer gewünschten Form (z. B. ein Rechteck, das entlang der Verarbeitungsrichtung verlängert ist) zu halten. Diese Einschränkungen können Beschränkungen der möglichen Abweichung der Steuerparameter von den vorausgewählten Werten beinhalten. Somit bietet die Überwachung des PIB-Signal des Schmelzbadsensors ein Verfahren, das hier zur In-situ-Charakterisierung des Schmelzbads und zur Echtzeitoptimierung des LAM-Prozesses durch Feedforward- und/oder Feedback-Steuerung der Verteilung der Mehrfachstrahlintensität offenbart ist.
AMBFA-LAM-Fähigkeiten und Verfahren für spatiotemporale Strahlformung
Die Fähigkeiten der AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) zur Steuerung von spatiotemporaler Verteilung der Laserleistung auf der Materialoberfläche, auch bezeichnet als Strahlformung, kann Folgendes beinhalten:

(a) Steuerung der Strahlenleistungen {p_j} an der leistungszugewandten Kugeloberfläche oder einem anderen Fertigungspunkt unter Verwendung der Strahlleistungssteuerung (612), die dazu konfiguriert ist, Signale (403.19) von Leistungssensoren und/oder Signale (619.3) von der Strahlformungssteuerung (618) des MOPA-Systems in 8 zu empfangen, wobei j= 1, ..., N und N die Anzahl von Strahlen ist, die durch den Faserarraylaserkopf (400) übertragen werden;
(b) Steuerung von Mittelpunktkoordinaten {r_j} der Brennpunktgrundflächen (100.9) unter Verwendung des Faserspitzenx/y-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.4) und/oder des Linsen-x/y-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.13) der faserbasierten Lasertransmittervorrichtung (400.3) in 7 und der Strahlformungssteuerung (618) des MOPA-Systems, wobei r_j ein 2D-Vektor ist, der den j. Mittelpunktstandort des Brennpunkts auf der Materialoberfläche beschreibt;
(c) Steuerung von Radien {a_j} der Brennpunkte (100.9) unter Verwendung des Linsen-z-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.16), das in den faserbasierten Lasertransmitter (400.3) integriert ist;
(d) Steuerung von Lenkparametern von Brennpunkten, beinhaltend Lenkamplituden {s_j}, Winkelrichtungsvektoren {θ_J} und Frequenzen {ω_J), unter Verwendung des Faserspitzen-x/y-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.4) und/oder des Linsen-x/y-Positionierungsvorrichtungsmoduls (403.13) der faserbasierten Lasertransmittervorrichtung (400.3) und der Strahlformungssteuerung (618) des MOPA-Systems;
(e) Steuerung von Polarisierungszuständen von Verarbeitungsstrahlen, z. B. Steuerung von Winkelvektoren {m_j} von linear polarisierten Strahlen, unter Verwendung von Polarisierungseinstellvorrichtungen (609), Signalen von Polarisierungssensoren (403.11) und einer Polarisierungssteuerung (610) des MOPA-Systems (600); und
(f) Steuerung von Kolbenphasen der übertragenen Strahlen unter Verwendung der Kolbenphasensteuerung (615), des Messsignals (614.1) und/oder des Signals von dem Fotodetektor (916) und von Phasenwechslern (607) des MOPA-Systems (600).

Um Notationen zu vereinfachen, ist die Reihe von Steuerparametern, die zur Strahlformung verwendet werden, hier als {u_m} vermerkt, wobei m= 1 ,..., M, und M die Gesamtzahl von Steuerungen ist, die für eine bestimmte Strahlformungsaufgabe verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Steuerfähigkeiten in Abhängigkeit von der Konfiguration der AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) und den Strahlformungserfordernissen alle [(a) bis (e)] der beschriebenen vorstehenden Optionen beinhalten kann oder auf eine ausgewählte Reihe davon beschränkt sein kann.
Die offenbarten Strahlformungsverfahren der AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) sind in 16 veranschaulicht. Sie beinhalten unter anderem:

A. Inkohärentes Kombinieren mit Überlappung von allen oder mehreren Mehrfachstrahlen, das durch Steuern der Mittelpunkte der Verarbeitungsstrahlenbrennpunkte {r_j} erreicht werden könnte. Dieses Strahlformungsverfahren ist durch die Zeichnung (700.1) in 16 veranschaulicht;
B. Mehrfachstrahlphasen (auch bezeichnet als kohärentes Kombinieren), was zu der Reduzierung von Brennpunktgröße und entsprechender Erhöhung von Leistungsdichte an dem Werkstück führt. Eine Analyse hat gezeigt, dass das Phasen von N Strahlen der AMBFA-LAM-Laserquelle in etwa N-facher Zunahme der Brennpunktspitzenintensität auf der Materialoberfläche führen könnte [22]. Die Zeichnungen (700.1) und (700.2) in 16 veranschaulichen die Verarbeitungsstrahlbrennpunkte auf der Materialoberfläche mit inkohärenten, auch als nicht gephast (700.1) bekannt, und kohärenten, auch als gephast (700.2) bezeichnet, Kombinationen von sieben Strahlen. Es ist zu beachten, dass Mehrfachstrahlphasen in dem Vorhandensein von Seitenkeulen resultiert, die sich einen Abstand von dem Mittelkeulen des Verarbeitungsstrahls befinden, wie in der Zeichnung (700.2) gezeigt. Diese sich außerhalb des Schmelzbads befindlichen Seitenkeulen können die Rolle von Sondenstrahlen spielen, die als Sondenstrahlen zum Erfassen des Materials verwendet werden können. Das kohärente Kombinieren von Strahlen könnte unter Verwendung von Ausgabesignalen (403.13) der Phasensensoren (403.12), die in faserbasierte Transmittermodule (400.3) des Faserarraylaserkopfs (400) integriert sein können, wie in 7 veranschaulicht oder die sich entlang der optischen Strangs von übertragenen Laserstrahlen (403.0) befinden oder auf die beides zutrifft, erreicht werden. Die Ausgabesignale der Phasensensoren (403.12) werden durch einen Messprozessor (614) verwendet, der ein Messsignal (614.1) berechnet, das Abweichungen von Kolbenphasen von den gewünschten Phasenverriegelungsbedingungswerten charakterisiert. Unter Verwendung des Messsignals berechnet die Phasenverriegelungssteuerung (615.3) due Steuersignale (617), die auf die Phasenwechsler (607) des MOPA-System (600), veranschaulicht in 8, angewendet werden. Die Steuersignale werden durch Optimierung des Messsignals (614.1) oder des Signals (917) von dem Fotodetektor (916), das eine Rolle des Messsignals spielt, unter Verwendung eines oder eines anderen Kolbenphasensteueralgorithmus, z. B. stochastischer paralleler Gradientenabstieg (stochastic parallel gradient descent - SPGD) [27,28], Multi-Dithering [29] oder LOCSET [30], generiert. Die beispielhaften Kolbenphasenerfassungstechniken und Mehrfachstrahlphasensteueralgorithmen, die in dem MOPA-System (600) verwendet werden können, sind in [31] beschrieben. Das Mehrfachstrahlphasen kann für LAM-Verarbeitung der Konturen einer Komponente mit hoher Auflösung verwendet werden, um die Oberflächengüte zu verbessern;
C. Steuerbare Randomisierung der Mehrfachstrahlkolbenphasen, was in verbesserter spatialer Einheitlichkeit der Laserleistung innerhalb des kombinierten Brennpunkts resultiert. Das Überlappen der Verarbeitungsmehrfachstrahlbrennpunkte (inkohärentes Kombinieren) auf der Materialoberfläche kann zu zufälligen spatialen und temporalen Variationen der Intensität führen, verursacht durch Interferenzeffekte. In dem offenbarten Mehrfachstrahlphasenrandomisierungsverfahren könnten diese parasitären Interferenzeffekte von Mehrfachstrahl-LAM-Verarbeitung unter Verwendung von schneller (MHz- bis GHz-Rate) Randomisierung von Kolbenphasen der durch den Faserarraylaserkopf (400) übertragenen Strahlen (403.0) gemindert werden. Die Kolbenphasenrandomisierung erfolgt unter Verwendung der Phasenrandomisierungssteuerung (615.1) des MOPA-Systems, veranschaulicht in 8, die schnell aktualisierende Sequenzen von zufälligen Kolbenphasen generiert. Die Kolbenphasenrandomisierung führt zu Minderung von Interferenzeffekten und entsprechender Verbesserung von spatialer Einheitlichkeit von Laserenergiedeposition auf dem Werkstück. Dieses AMBFA-LAM-System mit einem Betrieb mit Kolbenphasenrandomisierung ist durch die Zeichnung (700.3) in 16 veranschaulicht. Die Strahlformung unter Verwendung von Kolbenphasen von Mehrfachstrahlen könnte die Kühlungs- und Erhitzungsrate reduzieren und die Qualität von LAM-produzierten Teilen oder Komponenten verbessern;
D. Steuerung von spatialer Verteilung der Laserleistungsdichte auf der Materialoberfläche unter Verwendung der Stufenmodus-Strahlscantechnik. Der Brennpunkt des kohärent kombinierten Strahls kann bei hoher (Zehnerbereich von MHz) Geschwindigkeit durch synchrone Steuerung von Kolbenphasen in dem Stufenmodusbetrieb gescannt werden [32]. Das offenbarte Stufenmodus-Strahlformungsverfahren für LAM könnte unter Verwendung der Stufenmodus-Strahllenksteuerung (615.2) des MOPA-Systems (600) umgesetzt werden. In den LAM-Anwendungen könnte das elektronische Stufenmodus-Strahlscannen beispielsweise zur Generierung eines vergrößerten quadratischen Brennpunkts mit einer nahezu gleichförmigen Intensitätsverteilung verwendet werden. Dieses Strahlformungsverfahren unter Verwendung von 2D-Stufenmodus-Strahlscannen ist durch die Zeichnung (700.4) in 16 veranschaulicht. Die Stufenmodus-Strahlformung kann dazu verwendet werden, Erhitzungs- und Kühlungsrate zu steuern, was in einer Modifizierung von Mikrostruktur und mechanischen Materialeigenschaften resultiert, um die Oberflächengüte zu Produkte aus additiver Fertigung zu verbessern;
E. Übereinanderlegen von stark lokalisiertem Strahl zur Metallschmelzung und breitem Strahl zur Oberflächenbehandlung unter Verwendung des offenbarten Zeit-Multiplexing-Strahlformungsverfahrens, das schnelles (> 100 kHz) Umschalten zwischen kohärenten und inkohärenten Strahlkombinationsbetrieb bereitstellt. Das Zeit-Multiplexing resultiert in schneller Oszillation von Brennpunkten entsprechend der Kombination von inkohärenten und kohärenten Strahlen. Auf der Zeitskala, die für LAM-metallurgische Umwandlung typisch ist, produziert dieses Zeit-Multiplexing von Laserstrahlintensitätsverteilung das gleiche Ergebnis wir gleichzeitige Laserenergiedeposition unter Verwendung von zwei Strahlen mit unterschiedlichen Brennpunktdurchmessern. Der kohärent kombinierte (kleinerer Durchmesser) Strahl (701.2) kann für Schmelzbadbildung verwendet werden, während der zweite (größerer Durchmesser) Strahl (701.1) für die Vorwärme der Pulverpartikel und zum Verlangsamen des Kühlprozesses des zu Metall verfestigten Schmelzbads genutzt werden kann. Durch Steuern der Zeitdauer des Kombinierens von kohärenten und inkohärenten Strahlen kann jedes gewünschte Verhältnis von Laserleistung zwischen dem Verarbeitungs-(Schmelz-)strahl und der Strahlleistung, die zur Oberflächenbehandlung in der Nähe des Schmelzbads verwendet wird, verteilt werden. Dieses Strahlformungsverfahren ist durch die Zeichnung (700.5) in 16 veranschaulicht. Das Zeit-Multiplexing-Laserleistungsdepositionsstrahlformungsverfahren kann auch für andere spatiotemporale Mehrfachstrahlsteuerbetriebe angewendet werden. Die Zeichnung (700.6) in 16 veranschaulicht Intensitätsverteilung, erlangt über Zeit-Multiplexing zwischen vertikalem Linienscannen von einem oder mehreren überlappenden Strahlen und dem Stufenmodus-2D-Scannen von anderen Strahlen.
F. Pulvermaterialschmelzen mit gleichzeitigem Vorerwärmen der Pulverpartikel und Glühen des zu Metall verfestigten Materials kann durch das offenbarte Strahlformungsverfahren zum Steuern von Mittelpunktkoordinaten des Mehrfachstrahlbrennpunkts {r_j} und/oder Radien {a_j} und/oder Leistungen {p_j} und/oder Strahllenkparameter (s_j}, {θ_J} und {ω_J} erreicht werden. Die Zeichnungen (700.7), (700.8) und (700.9) in 16 liefern Beispiele für dieses Strahlformungsverfahren, beinhaltend: (a) Mehrfachstrahlen in Dreieckform (700.7) zum Vorheizen, und Kühlungsratensteuerung; (b) die Mehrfachstrahlen in Reihe (700.8) für schnellere LAM-Verarbeitung und Zunahme der Produktivität und zur Steuerung von Kühlungs- und Erhitzungsrate; (c) die Rampenformintensitätsverteilung, veranschaulicht durch die Zeichnungen (700.9) und (701). Diese Strahlform kann unter Verwendung von verschiedenen offenbarten Strahlformungstechniken erreicht werden, z. B. durch Scannen von Mehrfachstrahlen mit deren teilweiser Überlappung. Die graduelle Zunahme der Rampenformstrahlintensität wird zum Vorheizen verwendet, hohe einheitliche Leistungsdichte zum Schmelzen und graduelle Intensitätsverringerung für Schmelzbadkühlung.

Die offenbarten Strahlformungsverfahren, die zu Pulvermaterialschmelzen mit gleichzeitigem Vorheizen der Pulverpartikel und/oder Glühen des zu Metall verfestigten Materials führen, könnten zur Steuerung der Mikrostruktur des Materials genutzt werden und können zur Entwicklung von LAM-produzierten Teilen mit raumvariierender Materialmikrostruktur und mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Der experimentelle Nachweis von bestimmten Unterschieden bei der Steuerung von Wachstum von Gamma-Korn IN718-Legierung auf der Grundplatte (800.3) mit SLM-Verarbeitung von Pulvermaterial unter Verwendung der offenbarten Verfahren ist in 17 veranschaulicht. Die Karten mit umgekehrter Polfigur (inverse pole figure - IPF) der Elektronenrückstrahlungsdiffraktion (electron backscatter diffraction - EBSD) (800), die mit dem Scanelektronenmikroskop erlangt werden, zeigen radikal unterschiedliche kolumnare Mikrostruktur in zwei Proben, von denen eine (800.1) unter Verwendung des herkömmlichen SLM-Verfahrens und die zweite (800.2) unter Verwendung von Strahlformung mit sieben Strahlen in Quadratform verarbeitet wird. Die kleinen gleichachsigen Körner in der IPF-Karte (800.2) sind im Vergleich zu der sehr großen Kornstruktur vom Gamma-Typ in Bezug auf das abgelagerte Material (800.4) auf der IN718-Grundplatte (800.3) in der IPF-Karte (800.1) sind zu beachten.
Die Ergebnisse in 17 wurden unter Verwendung eines beispielhaften Prototyps der offenbarten AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) als die Laserquelle erlangt.
Eine reduzierte Anzahl der beschriebenen Strahlformungsverfahren könnte unter Verwendung einer vereinfachten Option für das MOPA-System (600) in 8 umgesetzt werden. Dies, bezeichnet als inkohärentes MOPA (IMOPA)-System (900), ist durch 18 veranschaulicht. Das IMOPA nutzt unabhängige Faserkanäle, die entweder aus fasergekoppelten Lasern (901) bestehen oder bei denen die Faserlaser über zusätzliche Faserverstärker (611) verfügen. Die Steuerung der übertragenen Mehrfachstrahlleistungen könnte durch Anwenden der Leistungssteuersignale (902) entweder auf die fasergekoppelten Laser oder auf die Faserverstärker durchgeführt werden. Die Strahlformungssteuerungen der IMOPA-Systeme (außer Kolbenphase und Polarisationssteuerungen) in 18 sind identisch zu den beschriebenen Steuerungen des MOPA-Systems in 8.
Algorithmen von spatiotemporaler Steuerung der Mehrfachstrahllaserleistungsverteilung für LAM
Hierin sind auch beispielhafte Steueralgorithmen offenbart, die für spatiotemporale Steuerung von Mehrfachstrahllaserleistungsverteilung unter Verwendung des AMBFA-LAM-Systems (300) angewendet werden könnten. Wenn eine AMBFA-LAM-Laserquelle N untereinander inkohärente Gauß-Strahlen generiert, kann die spatiotemporale Intensitätsverteilung des kombinierten Strahls auf der Materialoberfläche durch die in Tabelle 1 gezeigte Funktion beschrieben werden, die von den vorstehend beschriebenen 3N Steuerparametern ({r_j}, {p_j} und {a_j}) abhängig ist. Tabelle 1: Funktion für spatiotemporale Intensitätsverteilung

$I (r, t) = \sum_{j = 1}^{N} p_{J} (t) exp [- {| r - r_{J} (t) |}^{2} / a_{j}^{2} (t)] .$
Es sind die folgenden, hier offenbarten Strahlformungsansätze zu berücksichtigen:
Programmierbare Strahlformung unter Verwendung von Messfehlerminimierung. Eine programmierbare Steuerung könnte dazu verwendet werden, die Mehrfachstrahlenparameter {r_j}, {p_j} und {a_j} zu berechnen, die einen optimalen Näherungswert der gewünschten (Referenz-) Intensitätsverteilung I_ref(r) bereitstellen. Diese Referenzintensitätsverteilung könnte unter Verwendung einer Analyse und/oder auf Physik basierenden Erwägungen ausgewählt werden. In dem offenbarten programmierbaren Strahlformungsalgorithmus können die optimalen Steuerparameter und der beste Näherungswert für die Referenzintensitätsverteilung durch Minimierung des Messfehlers aus Tabelle 2 erlangt werden, wobei die Integration über die Materialoberflächenebene erfolgt. Die Minimierung des Messfehlers aus Tabelle 2 könnte unter einer Reihe von auf Physik basierenden Bedingungen und Einschränkungen für metallurgische Prozesse durchgeführt werden, wie etwa dem akzeptablen Bereich von Temperaturgradienten innerhalb des Verarbeitungsvolumens, dem Leistungsdichteniveau, das erforderlich ist, um Pulverpartikel von bestimmten Größen zu schmelzen, der Rastergeschwindigkeit des kombinierten Strahls etc. Tabelle 2: Verwendeter Messfehler zur Berechnung von optimalem Näherungswert für Referenzintensitätsverteilung unter Verwendung von Strahlformungssteuerparametern

$J (r_{1},.., r_{N}, p_{1},.., p_{N,} a_{1},.., a_{N}) = \int \int {[I (r) - I_{r e f} (r)]}^{2} d^{2} r$
In dem offenbarten Algorithmus basiert die programmierbare Strahlformung auf der Optimierung des stochastischen parallelen Gradientenabstiegs (Stochastic Parallel Gradient Descent - SPGD) [27, 27]. Um die Notation zu vereinfachen, werden die Steuerparameter {r_j}={x_j, y_j}, {a_j} und {p_j} (j=1, ...,N) als {u_m} (m=1, ..., 4N) bezeichnet, wobei u_j = x_j, u_j+N = y_j , u_j+2N = a_j und u_j+3N = p_J. Unter Verwendung dieser Notation ist die Brennebenenintensitätsverteilung eine Funktion von 4N Steuerparametern I(r)=I(r;u_I,...,u_4N). Die optimalen Werte für diese Parameter werden über einen iterativen Prozess der Minimierung des SPGD-Messfehlers aus Tabelle 2 definiert, wobei $u_{m}^{(n)},$
γ⁽ⁿ⁾=γ(J⁽ⁿ⁾), δJ⁽ⁿ⁾ und N_SPGD die Steuerungen, der Zuwachsfaktor, die Messfehlervariation bei der n. Iteration bzw. die Anzahl von SPGD-Iterationen sind. Die Messfehlervariation δJ⁽ⁿ⁾ in Tabelle 3 resultiert aus zufälligen Perturbationen mit kleiner Amplitude ${δ u_{m}^{(n)}} = α^{(n)} {ζ_{m}^{(n)}}$
der Steuerparameter ${u_{m}^{(n)}},$
wobei ${ζ_{m}^{(n)}}$
zufällige Zahlen sind, die eine einheitliche Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb des Intervalls [-1, 1] aufweisen, und α⁽ⁿ⁾=α(J⁽ⁿ⁾)<<1 die Perturbationsamplitude ist. Um die iterative Prozesskonvergenz zu beschleunigen, kann die Version des SPGD-Steueralgorithmus, die in Ref. [33] beschrieben ist, mit adaptiv wechselnder Zuwachs- und Perturbationsamplitude verwendet werden. Mit entsprechend gewählten Parametern in der Gleichung aus Tabelle 3 führen die SPGD-Iterationen zu Minimierung des Messfehlers und dem entsprechenden optimalen Näherungswert der gewünschten (Referenz-) Intensitätsverteilung I_ref(r). Tabelle 3: Iterativer SPGD-Algorithmus für Aktualisierung der Steuerparameter

$u_{m}^{(n + 1)} = u_{m}^{(n)} + γ^{(n)} δ J^{(n)} δ u_{m}^{(n)}, m = 1, \dots {,4}^{N_{S P G D}},$
Adaptive Strahlformungssteuersysteme. Eines der größten potentiellen Probleme beim programmierbaren Strahlformen ist, dass dies erfordert, dass die Lasersystem- und SLM-Prozessparameter genau bekannt und zeitlich fixiert sind. Unter den Ist-LAM-Bedingungen bestehen immer Unsicherheiten und Abweichungen in Bezug auf die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, die Form und die Leistung der übertragenen Strahlen, Fehler bei der Strahlausrichtung etc. Die Strahlformungssteuerung (618) in 8 besteht aus Feedforward- (618.1A), Feedback- (618.1B) und programmierbaren (618C) Steuersystemen, die hierin offenbart sind und diese Unsicherheiten über adaptive Echtzeiteinstellung der Strahlformungsparameter berücksichtigen können. Eine schematische Darstellung der adaptiven Strahlformungssysteme, die die Mehrfachstrahlsteuerfähigkeiten (z. B. A-F, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 16 beschrieben) der AMBFA-LAM-Vorrichtung (300) nutzen, sind in 8, 18 und 19 veranschaulicht.
In dem adaptiven Strahlformungssystem (914) in 19 leitet ein Strahlsplitter (910.1) einen kleinen Teil der Leistung des Verarbeitungslaserstrahls (402.0) zu einem optischen Bildbildungssystem (911), z. B. einer Linse, um, das eine skalierte Kopie der Intensitätsverteilung des Laserstrahlbrennpunkts (100.7) auf dem Fotoarray (913) erzeugt, bezeichnet als ein konjugiertes Bild des Brennpunkts (912). Das Fotoarray nimmt die konjugierten Bilder der Intensität αI(βr,t_n)bei der Zeitsequenz {t_n}, (n= 1,....) mit einem Zeitintervall Δt auf. Das aufgenommene Bild αI(βr,t_n) stellt eine skalierte Kopie der Intensitätsverteilung I(r,t_n) auf der Materialoberfläche dar, wobei α und β vordefinierte und bekannt Skalierungsfaktoren sind. Die aufgenommenen Bilder {αI(βr,t_n)} werden digitalisiert und die entsprechenden Signale (918) werden an die Strahlformungssteuerung (618) des MOPA-Systems (600) gesendet. Unter Verwendung von verfügbaren Daten, beinhaltend die aufgenommenen Bilder {αI(βr,t_n) }, die Skalierungsfaktoren α und β und die Funktion der gewünschten (Referenz-) Intensitätsverteilung I_ref(r) berechnet die Strahlformungssteuerung (618) den Messfehler aus Tabelle 2. Die gleiche Steuerung (618) aktualisiert iterativ die Strahlformungssteuerparameter, z. B. {r_j}={x_j, y_j}, {a_j} und {p_j} (j=1, ..., N), um den Messfehler aus Tabelle 2 zu minimieren. Die Aktualisierung der Strahlformungssteuerparameter erfolgt unter Verwendung von einem oder anderem Optimierungsalgorithmus, z. B. dem SPGD-Optimierungsalgorithmus aus Tabelle 3.
Ein zusätzliches Erfassungsmodul in 19, das aus dem Strahlsplitter (910.1), der Maske mit Nadelloch (915) und dem Fotodetektor (916) besteht, könnte zur praktischen Umsetzung der vorstehend beschriebenen Strahlformungsverfahren verwendet werden (z. B. B bis E, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 16 beschrieben): Mehrfachstrahlphasen (B); Steuerbare Randomisierung der Mehrfachstrahlkolbenphasen (C); Steuerung von spatialer Verteilung unter Verwendung der Stufenmodus-Strahlscantechnik (D); Umschalten zwischen kohärenten und inkohärenten Strahlkombinationsbetrieb, bezeichnet als Zeit-Multiplexing-Strahlformungsverfahren (E). Um diese Strahlformungsverfahren umzusetzen, wird das Signal von dem Fotodetektor (917) an die Kolbenphasensteuerung (615) des MOPA-Systems (600) gesendet. Die Maximierung dieses Signals unter Verwendung eines Phasenverriegelungsalgorithmus, beispielsweise SPGD, würde in Phasen (kohärentes Kombinieren) von durch den Faserarraylaserkopf (400) übertragenen Strahlen an dem Fotodetektor (916) und somit auf der Pulverbettoberfläche (100.8) oder einer anderen Materialoberfläche resultieren. Das gleiche Signal (917) kann dazu verwendet werden, kohärentes Kombinieren von mehreren Strahlen auf der Materialoberfläche mit zusätzlichen Stufenmodus-Strahllenkungssignalen, die an den Phasenwechslern (607) anliegen, aufrechtzuerhalten. Die Zeit-Multiplexing-Steuerung (616) stellt Umschaltung zwischen kohärentem Kombinieren, inkohärentem Kombinieren und steuerbarer Randomisierung der Kolbenphasen bereit, wodurch die vorstehend beschriebenen Strahlformungsverfahren (z. B. B bis E) umgesetzt werden.
Zusätzliche Strahlformungsmöglichkeiten beinhalten die Nutzung von Signalen (500.0) von den vorstehend beschriebenen Materialerfassungsmodulen (500).
Beispielhafte Systeme und Verfahren
Nachfolgend sind einige, aber nicht alle Innovationen und Merkmale der/des hierin offenbarten AMBFA-LAM- (300) Hardware und Systems erörtert.
Die AMBFA-LAM-Systemarchitektur, die Fähigkeiten für programmierbare, Feedforward- und Feedback-Steuerung von spatiotemporaler Verteilung von Mehrfachstrahllaserleistung, hierin als Strahlformung bezeichnet, auf der Materialoberfläche für LAM bereitstellt.
Linsenpositionierungsvorrichtungsmodul, das Steuerung von Breiten von Brennpunkten auf dem Material ermöglicht.
Faserbasiertes Lasertransmittermodul mit integrierten Fähigkeiten für elektronische Steuerung von jedem oder mehreren oder allen der folgenden Parameter des Brennpunkts des übertragenen Laserstrahls: Breite, Ort des Mittelpunkts (Ausrichtungskoordinaten), Lenkfrequenz, Winkel und Amplitude. Die Steuerung dieser Mehrfachstrahleigenschaften stellt Fähigkeiten bereit, die zur adaptiven spatiotemporalen Steuerung (Formung) der Laserleistungsverteilung auf dem metallischen Material während der LAM-Verarbeitung genutzt werden können.
Faserbasiertes Lasersendeempfängermodul mit integrierten Fähigkeiten für elektronische Steuerung von jedem oder mehreren oder allen Parametern des Brennpunkts des übertragenen Laserstrahls und zusätzliche Fähigkeit zum gleichzeitigen Erfassen von jedem oder mehreren oder allen der folgenden Parameter des übertragenen Laserstrahls: Leistung, Kolbenphase und Polarisierung.
Materialsensoren auf Grundlage eines Sondenlasers und eines Power-in-the-Bucket (PIB)-Empfängers, hier bezeichnet als die PL-PIB-Sensoren, verwendet zur In-situ-Charakterisierung von Folgendem: (a) Pulvermaterial vor dem LAM-Verarbeitungsstrahl (Pulvermaterial-PL-PIB-Sensor); (b) Schmelzbad innerhalb der LAM-Verarbeitungsregion (Schmelzbad-PL-PIB-Sensor); und (c) zu Metall verfestigte LAM-Verarbeitungsspur (Verarbeitungsspur-PL-PIB-Sensor).
Materialsensor auf Grundlage von Sondenstrahllasersendeempfänger und hier als der PBLT-Sensor bezeichnet, der Funktionen des Sondenstrahllaserilluminators und des Power-in-the-Bucket-Empfängers kombiniert.
Das vorstehend beschrieben AMBFA-LAM-System (300) ermöglicht eine Vielzahl von neuartigen Verfahren und Prozessen, darunter Folgendes:
Verfahren zum selektiven Mehrfachstrahl-Laserschmelzen (SLM) in Metallen auf Grundlage von adaptiver Faserarraylasertechnologie mit spatiotemporaler Steuerung der Laserleistungsverteilung.
Ein Verfahren mit virtueller Linse für Remote-SLM mit AMBFA-LAM.
Verfahren zur Steuerung von Mehrfachstrahlleistungsverteilung für SLM, darunter: (a) programmierbare Steuerung, (b) Feedforward-Steuerung und (c) (adaptive) Feedback-Steuerung.
Verfahren zur In-situ-Erfassung für LAM auf Grundlage einer Analyse von Sonden- und/oder Verarbeitungslaserstrahlen, die zur Feedforward- und Feedback-Steuerung der Mehrfachstrahlparameter und spatiotemporalen Intensitätsverteilung zu verwenden sind, darunter: (a) Verfahren zum Erfassen von Pulvermaterial vor dem LAM-Verarbeitungsstrahl; (b) Verfahren zum Erfassen von zu Metall verfestigtem Pulvermaterial in der Wärmeeinflusszone hinter dem Verarbeitungsstrahl; und (c) Verfahren zum Erfassen des Schmelzbads.
Materialerfassungsverfahren auf Grundlage davon, dass der PBLT-Sensor als ein konfokales Mikroskop betrieben wird, das Live-Streaming-Bildmaterial einer kleinen Region der Materialoberfläche entlang einer Verarbeitungsspur vor dem, innerhalb des und hinter dem Verarbeitungsstrahl bereitstellen.
Verfahren zur LAM-Verarbeitung von metallischem Pulver oder anderem Material, darunter:
LAM-Verarbeitung mit Phasen von Mehrfachstrahlen (auch bezeichnet als kohärentes Kombinieren), was zu der Reduzierung der Brennpunktgröße und entsprechender Zunahme der Laserleistungsdichte an dem Werkstück führt - wirksame Technik zur hochauflösenden Verarbeitung von Konturen von LAM-gebauten Teilen oder Komponenten.
LAM-Verarbeitung mit steuerbarer Randomisierung der Mehrfachstrahlphasen, was in Unterdrückung von Interferenzeffekten und verbesserter spatialer Einheitlichkeit von Laserleistung innerhalb eines festgelegten Verarbeitungsbereichs für LAM resultiert.
LAM-Verarbeitung mit Stufenmodusscannen der kohärent kombinierten Strahlen für spatial einheitliche Leistungsverteilung innerhalb eines länglichen (Linie) Strahls zur hochauflösenden Teilekonturverarbeitung und/oder innerhalb Regionen von rechteckiger Form zur Verarbeitung von großen Materialregionen eines Teils.
LAM-Verarbeitung mit Zeit-Multiplexing zwischen Mehrfachstrahlphasen und Phasenrandomisierung für gleichzeitiges Vorheizen, Schmelzen des Pulvermaterials und Behandlung des zu Metall verfestigten Materials, um die Qualität von LAM-produzierten Teilen zu verbessern (z. B. Oberflächengüte verbessern, Restspannungen reduzieren, Risiko von Delaminierung reduzieren und andere Verbesserungen).
LAM-Verarbeitung mit Mehrfachstrahlintensitätsmustern, um optimale Steuerung von Heiz- und Kühlungsraten und eine Zunahme der Verarbeitungsgeschwindigkeit über steuerbare Verschiebungen und/oder periodische Oszillation der Brennpunktposition von jedem Strahl in der erweiterten Umgebung des Schmelzbads zu ermöglichen.
LAM-Verarbeitung mit adaptiver Kompensation von wärmeinduzierten Phasenaberrationen, verursacht durch erhitzte Luftströme in der Nähe des Materialoberflächenverarbeitungsbereichs, was in spatiotemporalen Fluktuationen von Laserleistungsverteilung innerhalb der Verarbeitungsregion und ihrer Nähe führen kann, was die Oberflächengüte von abgelagertem Material nachteilig beeinflussen kann.
Additive Weitbereichslaserfertigung (Wide Area Laser Additive Manufacturing - WALAM) : Konzept, Verfahren und Vorrichtungen
Obwohl eine Anzahl von Merkmalen, Systemen und Verfahren zur adaptiven additiven Mehrfachstrahl-Faserarraylaserfertigung erörtert wird, ist eine Anzahl von Optionen möglich. Die Optionen beinhalten Anordnen der Fasertransmitter (403.3) in 5 und der Pulverbetterfassungsmodule (500) in unterschiedlichen Konfigurationen und Durchführen von unterschiedlichen Strahlformungsverfahren über diejenigen hinaus, die im Zusammenhang mit 16 gezeigt und erörtert sind.
Eine derartige Option zur additiven Mehrfachstrahl-Faserarraylaserfertigung ist hierin als additive Weitbereichslaserfertigung (WALAM) bezeichnet. Das WALAM-Konzept beinhaltet additive Fertigung unter Verwendung einer Laserleistungsquelle, die aus einem linearen Array von schnell oszillierenden Laserstrahlen besteht, mit optionalen ergänzenden linearen Arrays von Sondenstrahllasersendeempfängern und Laserquellen für Wärmemanagement in der Wärmeeinflusszone (HAZ) und die Fertigungsmaterialerfassung. Das WALAM-Konzept verwendet viele der gleichen Merkmale und Komponenten, die vorstehend im Zusammenhang mit AMBFA-LAM erörtert sind, und behält die wichtigsten Vorteile dieses Systems bei. Gleichzeitig bieten der beschriebene WALAM-Ansatz und die entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen Vorteile, die über derartige hinausgehen, die bereits offenbart sind, die für LAM-Umsetzungen, die eine hohe Aufbaurate erfordern, und verbesserte 3D-Druckauflösung, Genauigkeit und mechanische Eigenschaften von metallischen 3D-Druck-Komponenten erwünscht sein können. In den Umsetzungen, in denen der WALAAM-Ansatz wirksam erreicht werden kann, können das offenbarte Konzept und die entsprechenden Verfahren und Vorrichtungen signifikant (in einer Größenordnung) die Bauzeit reduzieren, die 3D-Druckauflösung verbessern (um den Faktor zwei oder mehr), thermische und mechanische Eigenschaften von Bauteilen verbessern - alles ohne wahrnehmbaren Einfluss auf die Komplexität der vorstehend erörterten adaptiven additiven Mehrfachstrahlfertigung.
Die 20, 21 zeigen zwei perspektivische Vorderansichten eines WALAM-Metall-3D-Drucksystems (1000), das das WALAM-Lasermodul (1001) zum Verarbeiten des Pulvermaterials verwendet. Das WALAM-Lasermodul (1001), das in den 22 und 23 detaillierter gezeigt ist, stellt ein lineares Array von N (d. h. einem oder mehreren) oszillierenden Strahlmodulen (1002), bezeichnet als OBM, dar. Die Anzahl von OBM in den 22, 23 ist 20 bzw. 5. Die OBM werden durch einen Abstand d von jeder anderen Mitte getrennt und werden zusammengesetzt, um ein WALAM-Lasermodul (1001) zu bilden, das ein lineares Array von N (d. h. einem oder mehreren) divergenten (z. B. Gauß-Form) Laserstrahlen (1003) generiert, die von den Spitzen (1004) der Bereitstellungsfasern (1005) innerhalb der OBM (1002) übertragen werden. Das lineare Array von Linsen (1006) fokussiert die übertragenen Strahlen (1003) auf die Fertigungsregion der Pulverbettoberfläche (1007), was in Brennpunkten (1008) (z. B. Punkte mit Gauß-Form) der Breite w_F resultiert. Der Durchmesser d_lens von jeder Linse (1006) des WALAM-Lasermoduls (1001) ist so ausgewählt, dass der Abstand d zwischen Mitten von benachbarten OBM (1002), was dem Abstand zwischen dem Faserspitzen (1004) entspricht, nicht überschritten wird. Die Linsenbrennweite F wird so ausgewählt, dass die Faserspitze (1004) in der Pulverbettoberfläche (1007) mit einem Skalierungsfaktor M = w_F/w_beam abgebildet wird, der gleich dem Verhältnis zwischen der Brennpunktbreite w_F und der Breite w_beam des übertragenen Strahls am ende der Faserspitze (1004) ist. Das WALAM-Lasermodul (1001) ist so gestaltet und ausgerichtet, dass sichergestellt wird, dass sich alle Brennpunkte (1008) entlang der Verarbeitungslinie (1009) auf der Pulverbettoberfläche (1007) befinden und der Nennabstand zwischen Mitten der benachbarten Brennpunkte gleich d ist. In einem möglichen Umsetzungsbeispiel des WALAM-Lasermoduls (1001) lauten die vorstehend dargelegten Parameter wie folgt: d = 15 mm, N =20, d_lens = 10 mm, w_beam =10 µm, w_F=100 µm und M =10.
Die Faserspitzen (1004) der OBM (1002) können dauerhaft oszillieren oder sich entlang der y-Achse (1010) mit der Oszillationsamplitude l_tip und Geschwindigkeit v_tip , die unabhängig eingestellt sein können oder vordefinierte Werte sein können, unter Verwendung von elektronischen Steuersignalen (1011), die in der Steuerung (1012) generiert werden und auf die OBM (1002) angewendet werden, vor und zurück bewegen. Die Oszillationen von Faserspitzen resultieren in den entsprechenden Oszillationen von Laserbrennpunkten (1008) entlang der gleichen y-Achse (1010). Es sollte einfach zu verstehen sein, dass die Oszillationsamplitude l_F und die Geschwindigkeit v_F der Brennpunkte im Vergleich zu der Oszillationsamplitude der Geschwindigkeit der Faserspitze um den Faktor M größer sind. In einem möglichen Umsetzungsbeispiel des WALAM-Lasermoduls (1001) lauten die vorstehend erwähnten Parameter wie folgt: M =10, l_tip = 1,5 mm, v_tip =5 m/s bzw. l_F = 15 mm, v_F =50 m/s.
In dem WALAM-Konzept wird die Laserleistung einzeln an jedes OBM (1002) von einer WALAM-Laserquelle (1013) durch die Bereitstellungsfasern (1005) bereitgestellt und kann unabhängig für jedes OBM (1002) gesteuert werden.
Mit ausreichend hoher Laserleistung für Pulvermaterialschmelzen erzeugt jeder oszillierende Brennpunkt (1008) des WALAM-Lasermoduls (1001) ein längliches oder zigarrenförmiges Schmelzbad (1014) der Länge l_pool , die von etwa w_F , wenn die Laserleistung ausgeschaltet ist, bis zu der Länge gleich dem Abstand d zwischen Mitten von Linsen (1006) der benachbarten OBM (1002) reicht. In dem offenbarten WALAM-Verfahren werden die Oszillationsamplituden l_F der Brennpunkte (1008) oder äquivalent die Brennpunktoszillationswinkelbereiche (1015) so ausgewählt, dass sie zu einer Produktion einer kontinuierlichen Schmelzspur (1016) entlang der Verarbeitungslinie (1009), wie in 21 veranschaulicht, in der Lage sind. Die Schmelzspur (1016) besteht aus einer Vielzahl von Schmelzbädern (1014), erzeugt durch benachbarte oszillierende Brennpunkte (1008) an der Pulverbettoberfläche (1007), wie in 21 veranschaulicht. In Abhängigkeit von der Geometrie des Fertigungsteils können die benachbarten Schmelzbäder (1014) miteinander verbunden oder getrennt sein. Es versteht sich, dass in dem WALAM-Fertigungsverfahren die Längen von einzelnen Schmelzbädern durch Modulieren der an jedes OBM bereitgestellten Laserleistung und/oder der Faserspitzenoszillationsamplitude gesteuert werden sollte.
Unter Bezugnahme auf 20 ist das WALAM-Lasermodul (1001) an einem Hochpräzisionsgesrüstsystem (1017) befestigt, das sich entlang der x-Achse (1018) fortbewegt, um eine sich entlang der x-Achse bewegende Schmelzspur (1016) auf der Oberfläche (1007) und eine Verarbeitungsregion (1019) eines zu Metall verfestigten Kühlmaterials dahinter zu erzeugen.
Es versteht sich, dass das Hochpräzisionsgerüstsystem (1017) in der Lage sein kann, das WALAM-Lasermodul (1001) sowohl entlang der x-Achse (1018) als auch entlang der y-Achse (1010) zu bewegen, so wie dies für Anwendungen erforderlich ist, bei denen die Fertigungskomponente breiter als das Schmelzbad ist (1016), das durch das WALAM-Lasermodul (1001) erzeugt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 22, 23 kann erkannt werden, dass das WALAM-Lasermodul(1001) aus einer Vielzahl von OBM (1002) besteht, die jeweils optische Leistung über eine Bereitstellungsfaser (1005) empfangen. Wie erkannt werden kann, ermöglicht die Modularität des WALAM-Lasermoduls (1001), dass die Anzahl von OBM (1002) einfach skaliert werden kann, um eine gewünschte Länge von Verarbeitungslinie (1009) und die entsprechende Schmelzspur (1016) bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 23, die eine Diagrammansicht des WALAM-Lasermoduls (1001) zeigt, das mit einer Laserleistungsquelle (1013) faserverbunden ist, die aus einem MOPA-Lasersystem (600) oder einem Rack von Faserlasern oder deren Kombination bestehen kann. Die Laserleistungsquelle (1013) ist so zusammengesetzt, dass sie eine Vielzahl von Einzelmodus-Gauß-Laserstrahlen (z. B. Einzelmodus-Gauß--Strahlen) an den Spitzen (1004) der Bereitstellungsfasern (1005), die sich innerhalb der OBM (1002) des WALAM-Lasermoduls (1001) befinden, bereitstellen. Die Laserleistungsquelle (1013) kann für Betriebskühlung, elektrische Leistung und die Strahlleistungssteuerung (1020) erforderlich sein und kann in einigen beispielhaften Umsetzungen eine oder viele zehn, zwanzig oder mehr Laserstrahlen bereitstellen, die durch die Bereitstellungsfasern (1005) an die OBM (1002) gesendet werden.
Die Laserleistungsquelle (1013) ist elektrisch mit einer WALAM-Steuerung (1012) verbunden, umfassend eine Strahlleistungssteuerung (1020), die dazu konfiguriert ist, die Leistung der durch das OBM (1002) übertragenen Laserstrahlen (1003) zu steuern und/oder zu modulieren, eine OBM-Steuerung (1021), die dazu konfiguriert ist, die Oszillationsparameter wie etwa Oszillationsfrequenz und/oder Amplitude zu steuern und Positionsversätze der Brennpunkte (1008) von einem oder mehreren OBM (1002) zu steuern, und eine Zielobjektdefinitionsdatensteuerung (1022), die durch eine CAD-Software zu additiver Fertigung oder eine andere Quelle, die Parameter für ein unter Verwendung des WALAM-Verfahrens und - Systems herzustellendes Objekt bereitstellt, generiert wird und Anweisungen an die Strahlleistungssteuerung (1020) und die OBM-Steuerung (1021) liefert. Die Strahlleistungssteuerung (1020) ist in der Lage, eine steuerbare Änderung der Leistung von jedem Laserstrahl (1003) mit erforderlicher Materialverarbeitungsfrequenzbandbreite, z. B. mit bis zu etwa einem kHz oder mehr, vorzunehmen.
Nun kann unter Bezugnahme auf die 24-26 und mit besonderem Augenmerk auf 24, die eine perspektivische Vorderansicht eines OBM (1002) mit einer entfernten Seitenabdeckung zeigt, verstanden werden, dass die oszillierende Bewegung des Laserstrahls (1003), der die oszillierenden Laserbrennpunkte (1008) erzeugt, durch Anwenden von Steuerspannungen mit einer zeitlichen Wiederholung t mit einem Zeitraum T auf einen Piezo-Aktor (1023), der innerhalb von jedem OBM (1002) zusammengesetzt ist, erreicht wird. Der Laserstrahl (1003) wird an das OBM (1002) durch Bereitstellungsfasern (1005) bereitgestellt, die an dem Piezo-Aktor (1023) angebracht sind, und die Faserspitze (1004) der Bereitstellungsfaser wird auf der Verarbeitungslinie (1009) auf der Pulvermaterialoberfläche (1007) durch eine Fokussierungslinse (1006) des OBM (1002) wieder abgebildet.
Wie erörtert, umfasst das WALAM-Lasermodul (1001) das lineare Laserarray von OBM (1002) und ist dazu in der Lage, eine Reihe von N Gauß-Form-Laserstrahlen (1003), die durch den Abstand d getrennt sind und die auf ein Pulvermaterial auf der Oberfläche (1007) fokussiert sind, zu übertragen. Nun unter Bezugnahme auf die 25 und 26 weist jedes beispielhafte OBM (1002) Fähigkeiten zur schnellen (z. B. Rate > 1,0 kHz) Oszillation des Laserbrennpunkts (1008) auf. Sowohl die Brennpunktoszillationsamplitude l_F , die von null bis d reicht, als auch die Laserleistung können während des Oszillationszyklus mit einer für die Materialverarbeitung erforderlichen Frequenzbandbreite, z. B. bis zu mehreren kHz oder mehr, gesteuert werden.
Die Anzahl von Strahlen in dem WALAM-Lasermodul (1001) kann so skaliert sein, dass sie eine beliebige gewünschte Anzahl von OBM (1002) enthalten kann. Einige beispielhafte Umsetzungen können in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung ein oder viele OBM (1002) enthalten, da die Anforderungen zum Unterstützen von zusätzlichen OBM aufgrund der modularen Art des WALAM-Konzepts auf eine im Wesentlichen lineare Weise steigen. Diese beispielhaften OBM (1002) können für Übertragungen von Laserstrahlen, die unterschiedliche Leistungen aufweisen, konfiguriert sein, wobei ein beispielhafter Bereich von Laserleistung zwischen etwa 50 W und 1,0 kW pro Laserstrahl liegt.
25 zeigt eine detailliertere seitliche Aufrissansicht des OBM (1002) mit dem Piezo-Aktor (1023) während einer simulierten Verwendung. Der Piezo-Aktor (1023) des OBM (1002) umfasst eine Reihe von zwei oder mehr Piezo-Platten (1024) mit abgelagerten Elektroden auf beiden Seiten, die fest miteinander befestigt sind, beispielsweise unter Verwendung einer Schicht Kleber (1025), wobei eine Länge der Laserstrahlbereitstellungsfaser (1005) die Laserleistung von der WALAM-Laserleistungsquelle (1013) zu der Faserspitze (1004) überträgt, und ein Befestigungselement (1026), das die Baugruppe aus Piezo-Aktorplatten und Bereitstellungsfasern befestigt und hält. Die Piezo-Platten sind unter Verwendung von elektrischen Drähten (1027) mit der WALAM-Steuerung (1012) verbunden.
Der Piezo-Aktor (1023) in 25 ist in einer neutralen Position und somit sind die Piezo-Platten (1024) jeweils gerade, und die Faserspitze (1004), die nahe dem Ende der Piezo-Platten (1024) angebracht ist, zielt in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Pulverbettoberfläche (1007) ist. Daraus resultierend befindet sich der Laserbrennpunkt (1008), der durch die Fokussierungslinse (1006) gebildet ist, ungefähr am Mittelpunkt des Schmelzbads (1014), das durch einen einzelnen oszillierenden Brennpunkt (1008) des OBM (1002) entlang der Verarbeitungslinie (1009) generiert wird.
26 zeigt eine andere seitliche Aufrissansicht des OBM (1002) mit dem Piezo-Aktor (1023) während einer simulierten Verwendung, wenn eine Steuerspannung durch die WALAM-Steuerung (1012) an den Piezo-Platten (1024) angelegt wird, was darin resultiert, dass sich der Piezo-Aktor (1023) in Bezug auf das Befestigungselement (1026) entlang seiner Länge biegt und eine Verschiebung der Faserspitze (1004) entlang der y-Achse (1010) verursacht. Daraus resultierend bewegt sich auch der Brennpunkt (1008), der durch die Fokussierungslinse (1006) projiziert wird, ebenfalls von dem Mittelpunkt des Schmelzbads (1014), das durch einen einzelnen oszillierenden Brennpunkt (1008) des OBM (1002) entlang der Verarbeitungslinie (1009) generiert wird, weg. Somit kann durch Bereitstellen von wechselnder Steuerspannung an den Piezo-Aktor (d. h. eine Spannung, die den Piezo-Aktor (1023) dazu veranlasst, sich um einen Abstand nach rechts zu biegen, und eine Spannung, die den Piezo-Aktor (1023) veranlasst, sich um einen Abstand nach links zu biegen), um die Faserspitze (1004) zu verschieben, der Brennpunkt (1008) schnell und genau in eine erste und eine zweite Richtung bewegt werden und den zigarrenförmigen oszillierenden Strahl (1003) auf der Materialoberfläche (1007) bilden und mit ausreichend Laserleistung das Schmelzbad (1014) der Verarbeitungslinie (1009) bilden.
Ein beispielhafter Piezo-Aktor (1023) kann die Verschiebung l_tip der Faserspitze (1004) zwischen etwa 1,0 mm und etwa 1,5 mm bei einer Resonanzfrequenz zwischen etwa 1,0 kHz und etwa 2 kHz in Abhängigkeit von dem bimorphen Elementdesign bereitstellen, wobei etwa +/- 100 - 150 Volt des elektrischen Signals an den Piezo-Aktor-Elektroden (1027) anliegen. Die Fokussierungslinse (1006) des OBM (1002) bildet die Faserspitze (1004) mit dem Vergrößerungsfaktor M erneut ab, was darin resultiert, dass die Oszillationsamplitude l_F des Brennpunkts (1008) um den gleichen Faktor zunimmt: l_F=M l_tip. Das Produzieren der Piezo-Aktoren (1023) aus einem Piezokristallmaterial ermöglicht eine Zunahme der Verschiebungsamplitude zwischen etwa 200 % und etwa 300 % im Vergleich zu Piezo-Aktoren (1023) aus piezokeramischen Materialien.
Um eine einheitliche Laserleistungsdichte auf der Pulverbett- oder einer anderen Oberfläche (1007) während des Oszillationszyklus bereitzustellen, beinhaltend die Zeit der Bewegungsrichtungsänderung des Strahlbrennpunkts, können dreieckig geformte Steuersignale über die WALAM-Steuerung (1012) bereitgestellt werden, um die Piezo-Aktoren (1023) anzutreiben. Es ist auch möglich, sinusförmige Steuersignale zu verwenden, wobei die Laserleistung dauerhaft während der Oszillationszyklen eingestellt oder moduliert werden muss, um einheitliche Laserleistungsdichte entlang der Verarbeitungslinie (1009) des oszillierenden Strahlbrennpunkts (1008) bereitzustellen.
Nun unter Bezugnahme auf die 21, 23, um die längliche Schmelzspur (1016) mit miteinander verbundenen Schmelzbädern zu produzieren, die aus oszillierenden Brennpunkten (1008) resultieren, muss die Oszillationsamplitude l_F des Brennpunkts (1008) gleich dem oder größer als der Abstand d zwischen OBM-Mitten sein. In Zeitskalen von Wärmeübertragung und Schmelzbadbildung und -verfestigung weist die Deposition von Laserleistung unter Verwendung eines schnell oszillierenden oder zigarrenförmigen Strahls eine ähnliche Auswirkung auf die Wärmedynamik des Materials auf.
Mit ausreichender Laserleistung könnten die zigarrenförmigen verbindungsstrahlen eine kontinuierliche Schmelzspur (1016) der Länge L_track =Nd und der Breite w_pool≃w bilden, wobei w die Brennpunktbreite ist und der Koeffizient κ in Abhängigkeit von Pulvermaterial und Verarbeitungsparametern typischerweise von etwa 1,2 bis 1,5 reicht. Beispielsweise ist bei einem beispielhaften WALAM-System (1000) mit zwanzig OBM (1002), die durch einen Abstand d = 15 mm getrennt sind, die Länge der Schmelzspur (1016) gleich etwa L_track =Nd = 30 cm.
Jedes OBM (1002) des WALAM-Lasermoduls (1001) verfügt über Fähigkeiten zum Steuern der Laserleistung und Oszillationsamplitude oder, äquivalent, der Länge l_F eines einzelnen oszillierenden Brennpunkts (1008). Die Laserquellen, die für ein beispielhaftes WALAM-Laserleistungssystem (1013) verwendet werden, können Modulation der übertragenen Leistung während der Oszillationszyklen mit einer Frequenzbandbreite von bis zu etwa 20 kHz bereitstellen. Eine beispielhafte Laserquelle mit einem oder mehreren Merkmalen, die für ein WALAM-Laserleistungssystem (1013) angemessene sind, ist ein YLM-100-1064 von IPG Photonics Inc.
Skalierbarkeit, Hatching und Slicing von WALAM-Arbeitsbereich
Für LAM-gefertigte Teile, bei denen eine einzelne Abmessung L_track =Nd nicht übersteigt, kann eine Schicht von Pulver während nur eines einzigen Scans des WALAM-Lasermoduls verarbeitet werden. Die Fähigkeit, eine extrem breite Region von Pulvermaterial sofort zu verarbeiten, ist ein wesentlicher Vorteil des WALAM-Verfahrens.
Für die LAM-Verarbeitung von größeren Teilen kann das WALAM-Lasermodul (1001) in einem 2D-Gerüstsystem, wie etwa dem Hochpräzisionsgerüstsystem (1017), mit einem ausreichend großen Arbeitsbereich zusammengesetzt werden. In diesem Falls kann der Gerüstarm am Ende von jedem einzelnen Scan das WALAM-Lasermodul (1001) um einen Abstand L_track =Nd rechtwinklig zur Scanrichtung zum Verarbeiten eines anderen Bereichs des Ausgangsmaterials verschoben werden. Diese Hatching-Prozedur, die Verarbeitung von Pulvermaterial während eines linearen Scans entlang der x-Achse (1018) und die modulare Bewegung des gesamten Lasers entlang der y-Achse (1010) bei Laserabschaltung beinhaltet, kann wiederholt werden, bis die gesamte Schicht des Ausgangsmaterials verarbeitet ist. 27 zeigt eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Pulverbetts mit der Verarbeitungsregion (1019), die in drei Verarbeitungsbereiche geteilt ist. Wie zu erkennen ist, übersteigt die Gesamtbreite der Verarbeitungsregion (1019) die Länge der Verarbeitungslinie (1009) des WALAM-Lasermoduls (1001). Die vorstehend beschriebene Hatching-Prozedur würde das WALAM-Lasermodul veranlassen, entlang der x-Achse (1018) über einen ersten Verarbeitungsbereich (1028) zu scannen. Beim Erreichen eines Endes des ersten Verarbeitungsbereichs (1028) würde das WALAM-Lasermodul abgeschaltet werden und würde entlang der y-Achse (1010) verschoben werden, bis es mit einem zweiten Verarbeitungsbereich (1029) ausgerichtet ist. Das WALAM-Lasermodul würde angeschaltet werden und der zweite Verarbeitungsbereich (1029) könnte entlang der x-Achse (1018) gescannt werden. Diese Prozedur könnte erneut für einen dritten Verarbeitungsbereich (1030) wiederholt werden und so weiter.
Diese WALAM-Hatching-Prozedur würde von einer Modifikation von bekannten Platzierungs- und Slicing-Algorithmen, die bei herkömmlichen Einzelstrahl-Pulverbett-SLM-Systemen verwendet werden. profitieren. Aus algorithmischer Sicht erschließen sich der Vorteil und die Modifikation einem Fachmann in Anbetracht dieser Offenbarung. Ein generischer Slicing-Algorithmus stellt Koordinaten von aktiven Punkten auf einem Slice-Gitter bereit, für das die Laserleistung angeschaltet ist. Bei einem WALAM-System (1000), das ein lineares Laserarray von oszillierenden Strahlen verwendet, die durch das WALAM-Lasermodul (1001) generiert werden, kann das Slice-Gitter im Bedarfsfalls entlang der Scanrichtung des WALAM-Lasermoduls der x-Achse (1018) ausgerichtet und neu berechnet werden, und die aktiven Punkte entlang der Verarbeitungslinie (1009) können in einem Array von N linearen Untergruppen in Abhängigkeit von deren Position in Bezug auf die Mitten der OBM (1002) gruppiert werden. Jede lineare Untergruppe von aktiven Punkten kann dann durch einen einzelnen oszillierenden Laserbrennpunkt (1008) verarbeitet werden. Die vorstehend beschriebene Hatching-Prozedur und der Slicing-Algorithmus können durch ein entsprechend konfiguriertes WALAM-CAD-Softwarepaket, -plugin oder -softwaremodul durchgeführt werden.
WALAM-Laserleistungsskalierung
Die zigarrenförmige Strahlgrundfläche, die durch jeden oszillierenden Strahl des WALLAM-Lasermoduls (1001) generiert wird, weist _Scigar≃l_Fw im Vergleich zu dem Verarbeitungsbereich _SGauss≃w eines herkömmlichen Gauß-Strahls von äquivalenter Breite w eine weitaus größere Fläche auf. Dies impliziert, dass das Übergehen zu oszillierenden Strahlen eine Zunahme der Laserleistung um den Faktor η = S_cigar/S_Gauss≃l_F/w ermöglicht, ohne die Laserleistungsdichte auf dem Ausgangsmaterial oder die spatiale Auflösung der LAM-Verarbeitung zu ändern. In dem Fall von LAM-Verarbeitung mit oszillierenden Strahlen kann die spatiale Auflösung eher durch die Brennpunktgröße w anstelle der Oszillationsamplitude l_F bestimmt werden.
Für das beispielhafte WALAM-3D-Drucksystem (1000) mit zwanzig OBM (1002) mit einer maximalen verfügbaren Oszillationsamplitude l_F = 15 mm und einer Brennpunktbreite w = 100 um kann die Laserleistung von jedem Strahl um einen Faktor η≃150 in Bezug auf ein entsprechendes herkömmliches Pulverbett-SLM-System, das einen einzelnen Strahl von Gauß-Form mit einer Breite von 100 µm nutzt, erhöht werden. Es ist einem Fachmann in Anbetracht dieser Offenbarung ersichtlich, dass das WALAM-Konzept wesentliches Potential für skalierbare Zunahme der Laserleistung bereitstellt, ohne auf die spatiale Auflösung des dreidimensionalen Drucks verzichten zu müssen.
WALAM-OBM-generierte Temperaturprofile
28A zeigt eine simulierte Verteilung der Laserleistungsdichte auf der Oberfläche der Fertigungsregion (1007) für einen einzelnen, nicht oszillierenden Brennpunkt mit Gauß-Form (1031) mit einer Leistung von 550 W und einer Breite von w =500 µm, wohingegen 28B eine entsprechende Temperaturverteilung (1032) auf der Pulverbettoberfläche (1007) zeigt. 28C zeigt eine simulierte Verteilung der Leistungsdichte für einen oszillierenden Brennpunkt mit Gauß-Form (1033) mit der gleichen Leistung wie der nicht oszillierende Brennpunkt mit Gauß-Form (1031) und einer Brennpunktbreite von w = 250 µm, wohingegen 28D eine entsprechende Temperaturverteilung zeigt. Beide Strahlen bewegen sich entlang der x-Achse (1018) oder von links nach recht mit einer Geschwindigkeit von 1,0 m/s, und die Oszillation des Brennpunkts in 28C erfolgt entlang der y-Achse (1010). Die Simulationen werden für Ti-6Al-4V-Material in großen Mengen durchgeführt. Die Schmelzbäder in den 28B und 28D werden durch massive schwarze Regionen dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 28 kann erkannt werden, dass der oszillierende Brennpunkt (1033) mit Gauß-Form eine Verteilung der Leistungsdichte aufweist, die entlang der Oszillationsrichtung oder entlang der y-Achse (1010) im Wesentlichen gleichförmig ist. Im Vergleich zur Temperaturverteilung (1032), die durch einen herkömmlichen nicht oszillierenden Brennpunkt mit Gauß-Form (1031) generiert wird, generiert der oszillierende Brennpunkt (1033) eine gleichmäßigere Temperaturverteilung (1034), die verhindern kann, dass Pulvermaterial überhitzt und verdampft, während auch Sinterbereiche und Bereiche von teilweiser Schmelze reduziert werden. Diese Simulationen zeigen, dass die Laserenergiedeposition bei LAM unter Verwendung von oszillierenden Strahlen (1033) verbesserte spatiale Auflösung und Oberflächenqualität beim dreidimensionalen Drucken bereitstellen kann, während gleichzeitig mechanische Belastung und Porosität in den gebauten Teilen reduziert werden.
Schätzung der WALAM-Aufbaurate
Ein wesentlicher Vorteil eines WALAM-Systems (1000) ist das Potential zur substantiellen Verbesserung der Aufbaurate für die additive Fertigung. Um diesen Vorteil zu veranschaulichen, wird ein Vergleich zwischen einer beispielhaften Aufbaurate, die mit dem WALAM-System (1000) erreicht werden kann, und einem herkömmlichen Pulverbett-SLM-System mit ähnlicher Laserleistung und ähnlichem Verarbeitungsmaterial bereitgestellt.
Bei dem herkömmlichen System wird ein Pulverbett-SLM-System angenommen, das mit einem einzelnen Brennpunkt mit Gauß-Form mit einer Breite w, einer Laserleistung P und einer Scangeschwindigkeit v_conv betrieben wird. Auf Gründen der Einfachheit kann das produzierte Teil eine quaderförmige Komponente mit der Seitenlänge L sein. Die Zeit, die erforderlich ist, um einen einzelne Spur in der herkömmlichen 3D-Druckmaschine zu schmelzen, kann als τ_track=L/ν_conv. geschätzt werden. Die Anzahl von Spuren, die erforderlich sind, um eine einzelne Pulverschicht N_track=L/w_track, zu verarbeiten, wobei w_track die Breite der Schmelzspur ist. Entsprechend die Zeit, die erforderlich ist, um die gesamte einzelne Pulverschicht $T_{l a y e r}^{c o n v} = N_{t r a c k} τ_{t r a c k} = L^{2} / (w_{t r a c k} v_{c o n v})$
zu verarbeiten. Unter Verwendung der Beziehung w_track≃κw erhalten wir $T_{l a y e r}^{c o n v} = L^{2} / (κ w v_{c o n v})$
als die Bauzeit für die quaderförmige Komponente bei dem herkömmlichen SLM-System.
Unter Fortsetzung des Beispiels wird nun angenommen, dass der gleiche Quader unter Verwendung eines WALAM-System (1000), bestehend aus dem linearen Array von N oszillierenden Strahlen mit identischen Laserleistungsverbrauchs- und Strahleigenschaften wie das herkömmliche System (d. h. Strahlbreite wund Leistung P), gefertigt wird. Die OBM (1002) des WALAM-Lasermoduls (1001) sind mit einem Abstand d =L/N und der Brennpunktoszillationsamplitude l_F=d voneinander getrennt. Wenn die Geschwindigkeit des WALAM-Lasermoduls (1001) entlang der x-Achse (1018) gleich ν_WALAM ist, wird eine Verarbeitung einer einzelnen Pulverschicht in der Zeit $T_{l a y e r}^{W A L A M} = L / v_{W A L A M}$
abgeschlossen. Wie vorstehend erwähnt, sollte, um die gemittelte Laserleistungsdichte auf dem Pulvermaterial in beiden LAM-Systems identisch zu halten, die Gerüstscangeschwindigkeit ν_WALAM um einen Faktor η=S_cigar/S_Gauss≃d/w kleiner sein als v_conv , d. h. ν_WALAM=ν_conv/η=η=ν_convw/d. Dementsprechend erhalten wird für die Verarbeitungszeit der einzelnen Schicht mit dem WALAM-System eine geschätzte Bauzeit für die quaderförmige Komponente von: $T_{l a y e r}^{W A L A M} = L d / (v_{c o n v} w) .$
Der Zuwachs der Aufbaurate kann durch das Verhältnis von erforderlicher Zeit zum Verarbeiten einer einzelnen Pulverschicht geschätzt werden: $G = T_{l a y e r}^{c o n v} / T_{l a y e r}^{W A L A M} .$
Bei der beispielhaften WALAM-Systemkonfiguration (l_F =d und Nd=L) ist der Zuwachs durch den folgenden einfachen Ausdruck gegeben:
$G = T_{l a y e r}^{c o n v} / T_{l a y e r}^{W A L A M} ≃ L / κ d = N / κ .$
Unter Anwendung der hierin offenbarten Prinzipien zeigt diese Schätzung, dass die Aufbaurate linear mit der Anzahl von OBM (1002) in dem WALAM-Lasermodul (1001) zunimmt. Dieses Ergebnis erschließt sich einem Fachmann in Anbetracht dieser Offenbarung aus physikalischer Sicht: durch N-faches Erhöhen der Gesamtlaserleistung durch Verwendung von N Strahlen sollte es möglich sein, N-mal mehr Pulvermaterial zu schmelzen und entsprechend etwa N-mal produktiver bei der Fertigung von LAM-Teilen zu sein.
Bei dem beispielhaften WALAM-System (1000) mit zwanzig OBM (1002), wie in 22 veranschaulicht, ist die erwartete Aufbaurate G=N/κ im Vergleich zu einem entsprechenden herkömmlichen Einzelstrahl-Pulverbett-SLM-System (mit angenommenen κ=1.25) etwa 16-fach größer.
Die vorläufige Analyse zeigt, dass die Laserleistung des beispielhaften WALAM-Systems (1000) potentiell von 100 W auf 1,0 kW pro Strahl erhöht werden kann, ohne die Brennpunktgröße (w= 100 µm) zu verändern, was bedeutet, dass die Verarbeitungsauflösung nicht negativ beeinflusst wird, wie dies bei herkömmlichen Systemen der Fall wäre. Beispielsweise wird für herkömmliche SLM-Systeme geschätzt, dass das Verarbeiten unter Verwendung eines Laserstrahls mit 1,0 kW eine Zunahme der Brennpunktgröße auf etwa 400-500 µm erfordern würde, um Überhitzen und Verdampfen des Zielmaterials zu vermeiden.
Eine Zunahme der Laserleistung von 100 W auf 1,0 kW pro Strahl würde von der proportionalen (d. h. 10-fachen) Zunahme der Scangeschwindigkeit des Hochpräzisionsgerüstsystems (1017) profitieren: von ν_WALAM=(w/d)ν_conv auf ν_WALAM =(10w/d)ν_conv. Die resultierende Scangeschwindigkeit ist immer noch signifikant (d. h. um einen Faktor ν_conv/ν_WALAM=0.1d/w) niedriger als die Scangeschwindigkeit v_conv von vielen herkömmlichen Pulverbett-SLM-Maschinen. Als ein weiteres Beispiel ist das beispielhafte WALAM-System (1000) mit P=1,0 kW, einer Strahlgröße w = 100 µm und einer Laserbrennpunktoszillationsamplitude l_F=d = 15 mm zu betrachten. Die beispielhafte Scangeschwindigkeit ν_WALAM=(10w/d)ν_conv=ν_conv/150 ist in diesem Fall 150-mal niedriger im Vergleich zu einem herkömmlichen Pulverbett-SLM-System, das mit einem Strahl mit 1,0 kW betrieben wird.
Es ist einem Fachmann in Anbetracht der Offenbarung hierin ersichtlich, dass das WALAM-System (1000) das Potential für erhebliche Zunahmen der LAM-Aufbaurate von einer aktuellen Aufbaurate von etwa 25 cm³/Stunde/Strahl auf Aufbauraten von etwa 1600 cm³/Stunde bereitstellt, ohne die dreidimensionale Druckauflösung signifikant zu beeinträchtigen oder diese sogar zu verbessern. In einer beispielhaften Umsetzung, umfassend sieben Faserlaser der 1,0-kW-Klasse, wird die erwartete Aufbaurate für die Fertigung von Einzelteilen zwischen etwa 500 und etwa 560 cm3/h liegen.
WALAM-Strahlformungs- und Wärmegradientenmanagement
Wie bereits erwähnt, kann das beispielhafte WALAM-System (1000) durch Erlauben einer signifikant höheren Aufbaurate im vergleich zu einem entsprechenden herkömmlichen dreidimensionalen SLM-System immer noch mit einer beträchtlich kleineren Scangeschwindigkeit (um einen Faktor η≃l_F/w) betrieben werden. Beispielsweise könnte eine adäquate Scangeschwindigkeit, die optimale Materialverarbeitung für ein WALAM-System (1000) mit sieben Lasern der 1,0-kW-Klasse ermöglicht, so niedrig wie etwa 10 bis etwa 15 cm/s sein, im Vergleich zu etwa 2 m/s bis etwa 3 m/s bei herkömmlichen Einzelstrahl-Pulverbett-SLM-Systeme der kW-Klasse. Die niedrige Scangeschwindigkeit ermöglicht signifikant niedrigere Wärmegradienten und somit weniger Materialbelastung, Porosität und Rissbildung bei produzierten Teilen.
Die Ausgangsmaterialverarbeitung mit niedriger Scangeschwindigkeit stellt auch Möglichkeiten zur Steuerung der Mikrostruktur unter Verwendung des Vorheizens von Pulverpartikeln in einem Zyklus von Vorwärts-Rückwärts-Bewegung des Hochpräzisionsgerüstsystems (1017), das das WALAM-Lasermodul (1001) hält. Unter Bezugnahme auf 29 veranschaulicht dies den periodischen Zyklus von Vorheizen und Schmelzen des Pulvermaterials. Der obere Graph (1035) zeigt die Verschiebung δx des WALAM-Lasermoduls (1001) entlang der Scanrichtung als eine Funktion der Zeit, und der untere Graph (1036) zeigt die entsprechende Veränderung der Laserleistung P.
Ein Risiko besteht darin, dass das Bewegen des Arms des Hochpräzisionsgerüstsystems (1017) zurück und vorwärts in unerwünschten Vibrationen des Arms resultieren könnte. Dies kann bei relativ niedrigen (einige cm/s) Gerüstbewegungsgeschwindigkeiten, die unter Verwendung des WALAM-Systems (1000) möglich sind, kein Problem sein, was es ermöglicht, die Gerüstgeschwindigkeit stark zu reduzieren, während hohe Aufbauraten beibehalten werden. Das Risiko kann auch durch Integrieren von Strahlformungs- und Wärmemanagementfähigkeiten in das WALAM-Lasermodul (1001) angegangen werden.
Eine beispielhafte Technik zum Strahlformungs- und Wärmemanagement ist die In-situ-Steuerung von Wärmegradienten durch Vorheizen von Pulvermaterial vor der Verarbeitungslinie (1009) und gesteuerte Kühlung des verfestigten Materials hinter der Schmelzspur (1016). Unter Bezugnahme auf 30 zeigt dies eine perspektivische Vorderansicht einer Baugruppe von drei linearen Arrays von OBM (1037), bestehend aus einem WALAM-Lasermodul (1001), das zum Materialschmelzen verwendet wird, einem ähnlichen lineare Array von OBM zum Vorheizen des Pulvermaterials (1038) und einem ähnlichen linearen Array von OBM zum steuerbaren Wärmemanagement des verfestigten Materials hinter der geschmolzenen Region (1039). Das WALAM-Lasermodul (1001) arbeitet immer noch bei der normalen Leistungsausgabe, die zur Materialverarbeitung mit dem linearen Array von OBM erforderlich ist, während ein lineares Array von OBM (1038), das vor dem WALAM-Lasermodul (1001) positioniert ist, bei einer niedrigeren übertragenen Leistung arbeitet, sodass das Zielmaterial schrittweiser erhitzt werden kann, bevor die Verarbeitung durch das WALAM-Lasermodul (1001) erfolgt. Ein lineares Nachverarbeitungsarray von OBM (1039) ist hinter dem WALAM-Lasermodul (1001) positioniert und wird bei einer niedrigeren übertragenen Leistung betrieben, sodass die Verfestigung des Zielmaterials nach dem Materialschmelzen unter Verwendung des WALAM-Lasermoduls (1001) verlangsamt werden kann. Die Kombination aus dem linearen Vorheizarray von OBM (1038), dem WALAM-Lasermodul (1001) und dem linearen Nachverarbeitungsarray von OBM (1039) ermöglicht steuerbares Wärmemanagement des Materials, um die Qualität von durch additive Fertigung produzierten Komponenten zu verbessern. Alle drei linearen Arrays von OBM können gemeinsam die gleiche WALAAM-Laserleistungsquelle (1013) verwenden. Das Splitten von Laserleistung zwischen diesen linearen Arrays von OBM kann unter Verwendung von herkömmlichen Fasersplittern (nicht gezeigt) erfolgen.
Eine weitere beispielhafte Technik zum Strahlformungs- und Wärmemanagement könnte auf der Nutzung von speziell gestalteten Diffraktionsoptikelementen (DOE) basieren, die direkt vor oder hinter den Fokussierlinsen (1006) der OBM (1002) in 23 platziert sind. Die DOE können so gestaltet sein, dass sie einen Teil der übertragenen Laserstrahlleistung in einen Bereich von wenigen mm Größe, der an dem Verarbeitungslaserbrennpunkt (1008) zentriert ist, gleichmäßig weiterverteilen. Die durch die DOE weiterverteilte Leistung kann das gewünschte Vorheizen von Pulvermaterial vor dem Verarbeitungsstrahl bereitstellen und die Kühlungsrate des Materials hinter der Schmelzspur verlangsamen.
WALAM-In-situ-Erfassung
Die Verarbeitung von Pulvermaterial mit einem WALAM-Lasermodul (1001) bietet auch den Vorteil der Integration von Sensoren zur Echtzeitüberwachung der kritischen Parameter während der Materialverarbeitung. Die skalierbare und modulare Struktur der WALAM-Lasermodulkomponenten, wie etwa der OBM (1002), ermöglicht eine Integration von Erfassungsmodulen auf Grundlage eines linearen Arrays von oszillierenden Sondenlaserstrahlen ohne signifikante Auswirkungen auf das Gesamtdesign oder Merkmale des WALAM-Lasermoduls (1001).
Unter Bezugnahme auf 31 zeigt diese Figur eine perspektivische Unteransicht einer Baugruppe (1040) des WALAM-Lasermoduls (1001) mit zwei Sensorarraymodulen (1041) und (1042) mit ähnlichem Design und ähnlichen Merkmalen wie das WALAM-Lasermodul (1001). Das erste Sensorarraymodul (1041) befindet sich vor dem WALAM-Lasermodul (1001) und wird zum Erfassen des Pulvermaterials vor der Schmelzspur (1016) verwendet. Das zweite Sensorarraymodul (1042) befindet sich hinter dem WALAM-Lasermodul (1001) und wird zum Erfassen des verarbeiteten Materials hinter der Schmelzspur (1016) verwendet. Es ist zu beachten, dass das WALAM-In-situ-Erfassungssystem nur das erste oder das zweite oder beide Sensorarraymodule (1041) und (1042) aufweisen kann.
Unter Bezugnahme auf 32 zeigt dies beispielhaft eine Baugruppe (1043) des WALAM-Lasermoduls (1001) und des zweiten Sensorarraymoduls (1042), die dazu konfiguriert ist, N oszillierende Sondenstrahlen (1044) auszustrahlen, deren zigarrenförmigen Grundflächen miteinander verbunden sind und entlang der Verarbeitungslinie (1009) des WALAM-Lasermoduls (1001) angeordnet sind, wie in 32 veranschaulicht. Die Brennpunkte der Sondenstrahlen oszillieren entlang der y-Achse (1010) auf dem verarbeiteten Material hinter der Schmelzspur (1016), wenn sich sowohl das WALAM-Lasermodul (1001) als auch das Sensorarraymodul (1042) entlang der x-Achse (1018) bewegen.
Das Sensorarraymodul (1042) und/oder (1041) kann aus oszillierenden Sondenstrahlmodulen oder OPBM (1045), die im Wesentlichen ähnlich dem OBM (1002) sind, das in dem WALAM-Lasermodul (1001) verwendet wird, bestehen. Die OPBM (1045) können entweder mit den OBM (1002) in einem einzelnen Materialverarbeitungs- und Sondenstrahlerfassungsmodul (1046) integriert sein, wie in 33 veranschaulicht, können als unabhängige Module gebaut sein und zusammen mit den OBM (1002) zusammengebaut sein, wie in 31 gezeigt.
33 zeigt eine perspektivische Vorderansicht einer beispielhaften Umsetzung eines kombinierten Materialverarbeitungs- und Sondenstrahlerfassungsmoduls (1046). Wie es erkannt werden kann, ist ein kombiniertes Modul (1046) ähnlich dem OBM (1002), enthält aber zwei Reihen von Piezo-Aktoren (1023): eine, die dazu verwendet wird, den oszillierenden Brennpunkt (1008) zur Materialverarbeitung zu generieren, und eine, die dazu verwendet wird, den oszillierenden Brennpunkt eines Sondenstrahls (1047) zu produzieren. Alternativ kann in einer Umsetzung, in der die OPBM (1045) und die OBM (1002) getrennt sind, das Sensorarraymodul (1041) und/oder (1042), bestehend aus einem oder mehreren OPBM (1045), vor der Verwendung dem WALAM-Lasermodul (1001) modular hinzugefügt oder von diesem entfernt werden.
34 zeigt Diagrammansicht eines beispielhaften OPBM (1045). Die OPBM (1045) werden als faseroptische Lasersendeempfänger betrieben, die auf einer Einzelmodusfaser und Faserelementen basieren. Der durch einen fasergekoppelten Laser (1048) generierte Laserstrahl läuft durch den Faserzirkulator (1049) und wird aus der Faserspitze (1004) der Bereitstellungsfaser (1005), die an dem Piezo-Aktor (1023) des OPBM (1045) angebracht ist, ausgestrahlt. Die Linse (1006) des OPBM (1045) bildet die Faserspitze auf dem Pulvermaterial (1007) erneut ab, sodass ein Sondenstrahlbrennpunkt (1047) hinter oder vor der Verarbeitungslinie (1009) erzeugt wird, wie in den 32, 34 veranschaulicht. Das zurückgestrahlte Licht wird in der gleichen Faserspitze (1004) der Bereitstellungsfaser (1005) gekoppelt und über einen Faserzirkulator (1049) an einen fasergekoppelten Fotodetektor (1050) des OPBM (1045) weitergeleitet. Die Wellenlänge der Sondenstrahlen (1044) könnten sich in Bezug auf die Verarbeitungslaserstrahlen des WALAM-Lasermoduls (1001) für einfacherer optische Filterung unterscheiden. Die Linienscandaten (1051), die von jedem OPBM (1045) erlangt werden, können unter Verwendung eines Linearscanbildprozessors (1052), der ein stark vergrößertes Weitfeldbild (1053) der verarbeiteten Region (1019) hinter der Verarbeitungslinie (1009) oder ein stark vergrößertes Weitfeldbild der Pulvermaterialoberfläche (1007) vor der Verarbeitungslinie (1009) produziert, digital kombiniert werden.
Mit ausreichend übertragener Laserleistung können die gleichen Sondenstrahlen (1044) ein Vorheizen des Pulvermaterials vor der Schmelzlinie bereitstellen und die Abkühlungsrate hinter der Schmelzregion verlangsamen, so wie unter Bezugnahme auf 30 und andere Techniken zum Wärmemanagement, die hierin offenbart sind, erörtert. Das Management von Wärmegradienten mit den Sondenstrahlen (1044) könnte effizient unter Verwendung von kurzen Laserwellenlängen durchgeführt werden, bei denen die Absorptionsvermögen der am häufigsten verwendeten Pulvermaterialien höher ist als bei der allgemein verwendeten Verarbeitungswellenlänge von 1,06 µm. Die Wellenlänge 0,53 µm (grün) wäre eine beispielhafte Auswahl aufgrund der Verfügbarkeit von handelsüblichen Faserlaser- und Faserelementen bei diesen Wellenlängen.
Quellennachweis

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15642884 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Additives Fertigungssystem, umfassend: (a) eine Fertigungsfläche, umfassend ein Material; (b) ein Lasermodul, umfassend eine Reihe von oszillierenden Strahlenmodulen, die dazu konfiguriert sind, ein lineares Array von oszillierenden Laserbrennpunkten zu produzieren, um eine Verarbeitungslinie umfassend eine Reihe von miteinander verbundenen Verarbeitungsabschnitten auf dem Material zu produzieren, wobei jedes oszillierende Strahlenmodul Folgendes umfasst: (i) eine Laserstrahlbereitstellungsfaser, umfassend einen ersten Abschnitt, der mit einer Laserleistungsquelle faserverbunden ist, und einen zweiten Abschnitt, der eine Faserspitze umfasst, wobei der zweite Abschnitt an einem Aktor befestigt ist, der dazu betrieben werden kann, die Faserspitze entlang einer Achse zu oszillieren, und wobei die Laserleistungsquelle dazu betrieben werden kann, Laserleistung an die Faserspitze bereitzustellen; und (ii) eine Linse, die dazu konfiguriert ist, die Faserspitze auf dem Material erneut abzubilden, um einen Laserbrennpunkt zu erzeugen; (c) ein Gerüstsystem, das dazu angepasst ist, das Lasermodul über der Fertigungsfläche zu halten, und das dazu betrieben werden kann, das Laserarraymodul entlang einer Linie rechtwinklig zu der Verarbeitungslinie zu bewegen oder zu scannen; (d) eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, eine Zielobjektdefinition, die eine Reihe von Koordinaten umfasst, die ein Zielobjekt definieren, zu empfangen und während eines additiven Fertigungsprozesses das Zielobjekt zu erzeugen, und auf zumindest teilweiser Grundlage der Zielobjektdefinition: (i) Signale an die Laserleistungsquelle bereitzustellen, um die Ausgabelaserleistung zu steuern, die durch jedes oszillierende Strahlmodul übertragen wird; (ii) Signale an das Gerüstsystem bereitzustellen, um die Bewegung des Gerüstsystems entlang der Linie, die rechtwinklig zu der Verarbeitungslinie ist, zu steuern; und (iii) Signale an das oszillierende Strahlmodul bereitzustellen, um eine oder mehrere Oszillationseigenschaften des linearen Arrays von oszillierenden Laserbrennpunkten zu steuern.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren Oszillationseigenschaften des linearen Arrays von oszillierenden Laserbrennpunkten die Oszillationsamplitude, - frequenz und -wellenform von jedem oszillierenden Laserbrennpunkt des linearen Arrays von oszillierenden Laserbrennpunkten umfassen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei jeder oszillierende Laserbrennpunkt nahezu identisch bemessen ist.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei: (a) die Reihe von oszillierenden Strahlmodulen aus zumindest einem oszillierenden Strahlmodul besteht; (b) jedes oszillierende Strahlmodul aus der Reihe von oszillierenden Strahlmodulen die Linse mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einen Skalierungsfaktor von etwa zehn umfasst; und (c) das Lasermodul dazu konfiguriert ist, das lineare Array von oszillierenden Laserbrennpunkten zu produzieren, wobei: (i) ein Nennabstand zwischen Mitten von jedem oszillierenden Laserbrennpunkt des linearen Arrays von oszillierenden Laserbrennpunkten etwa 15 mm beträgt; (ii) ein übertragener Strahl von der Faserspitze eine Breite von etwa 10 µm aufweist; und (iii) jeder oszillierende Laserbrennpunkt eine Breite von etwa 100 µm aufweist.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei jedes oszillierende Strahlmodul aus der Reihe von oszillierenden Strahlmodulen die Linse mit einem Skalierungsfaktor von etwa zehn umfasst und wobei die Steuerung ferner zu Folgendem konfiguriert ist: (a) die Faserspitze von jedem oszillierenden Strahlmodul bei einer Amplitude zwischen etwa 1,0 mm und etwa 1,5 mm zu oszillieren, was darin resultiert, dass jeder oszillierende Laserbrennpunkt eine Amplitude zwischen etwa 10 mm und etwa 15 mm aufweist; und (b) die Faserspitze von jedem oszillierenden Strahlmodul bei einer Geschwindigkeit zwischen etwa 3 m und etwa 5 m pro Sekunde zu oszillieren, was darin resultiert, dass jeder oszillierende Laserbrennpunkt eine Geschwindigkeit zwischen etwa 30 m und etwa 50 m pro Sekunde aufweist.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 5, wobei die für jede Faserspitze der Reihe von oszillierenden Strahlmodulen bereitgestellte Laserleistung zwischen etwa 50 W und etwa 1,0 kW liegt.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, wobei das Lasermodul zu Folgendem konfiguriert ist: (a) die Verarbeitungslinie mit einer Breite zwischen etwa 25 cm und etwa 35 cm zu produzieren; und (b) das Zielobjekt mit einer Aufbaurate zwischen etwa 400 cm³ und etwa 1600 cm³ pro Stunde zu erzeugen.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eines von: (a) einem Vorverarbeitungslasermodul, umfassend eine zweite Reihe von oszillierenden Strahlmodulen, wobei das Vorverarbeitungslasermodul so positioniert ist, dass es dem Lasermodul vorangestellt ist, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, das Vorverarbeitungslasermodul zu betreiben, um eine Vorverarbeitungslinie an dem Material zu produzieren, und wobei die Vorverarbeitungslinie dazu konfiguriert ist, das Material vor der Verarbeitung auf eine Vorverarbeitungstemperatur vorzuheizen; (b) einem Nachverarbeitungslasermodul, umfassend eine dritte Reihe von oszillierenden Strahlmodulen, wobei das Nachverarbeitungslasermodul so positioniert ist, dass es dem Lasermodul nachgestellt ist, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, das Nachverarbeitungslasermodul zu betreiben, um eine Nachverarbeitungslinie an dem Material zu produzieren, und wobei die Nachverarbeitungslinie dazu konfiguriert ist, die Abkühlrate des Materials auf eine Nachverarbeitungstemperatur zu steuern.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 8, ferner umfassend sowohl das Vorverarbeitungslasermodul als auch das Nachverarbeitungslasermodul, wobei die Vorverarbeitungstemperatur und die Nachverarbeitungstemperatur jeweils niedriger als eine Verarbeitungstemperatur sind, auf die die Verarbeitungslinie, die die oszillierenden Laserbrennpunkte beinhaltet, das Material erhitzt.
Additives Fertigungssystem nach Anspruch 9, wobei die Vorverarbeitungstemperatur und die Nachverarbeitungstemperatur dazu konfiguriert sind, Wärmegradienten entlang einer Fläche des Zielobjekts während der Erzeugung zu reduzieren.
Oszillierendes Strahlmodul, umfassend: (a) eine Laserstrahlbereitstellungsfaser, umfassend einen ersten Abschnitt, der mit einer Laserleistungsquelle faserverbunden ist, und einen zweiten Abschnitt, der eine Faserspitze umfasst, wobei der zweite Abschnitt an einem Aktor befestigt ist, der dazu betrieben werden kann, die Faserspitze entlang einer Achse zu oszillieren, und wobei die Laserleistungsquelle dazu betrieben werden kann, Laserleistung an die Faserspitze bereitzustellen; (b) den Aktor, der dazu betrieben werden kann, die Faserspitze entlang einer einzelnen Achse auf Grundlage eines Oszillationssteuersignals, das von einer Oszillationssteuerung empfangen wird, zu oszillieren; und (c) eine Linse, die in dem Weg des Laserstrahls, der durch die Faserspitze übertragen wird, positioniert ist und dazu angepasst ist, den Laserstrahl aus der Faserspitze erneut abzubilden und einen Brennpunkt auf einem Ziel zu produzieren; wobei das oszillierende Strahlmodul dazu konfiguriert ist, einen Brennpunkt zu produzieren, während die Faserspitze durch den Aktor oszilliert wird, um einen oszillierenden Brennpunkt entlang einer Verarbeitungslinie zu produzieren.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 11, wobei die Linse relativ zu der Faserspitze und dem Ziel positioniert ist, um den Laserbrennpunkt auf dem Ziel zu produzieren, und wobei die Linse dazu konfiguriert ist, einen Skalierungsfaktor des Laserstrahls von der Faserspitze bereitzustellen.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 11, wobei die Laserleistungsquelle dazu konfiguriert ist, die Laserleistung bei Größenordnungen bereitzustellen, umfassend eine erste Größenordnung, eine zweite Größenordnung und eine dritte Größenordnung, und wobei der oszillierende Laserbrennpunkt dazu konfiguriert ist, dass ein Material an dem Ziel: (a) eine Vorschmelztemperaturänderung durchläuft, wenn der oszillierende Laserbrennpunkt aus der Laserleistung produziert wird, die bei der ersten Größenordnung empfangen wird; (b) eine Schmelztemperaturänderung durchläuft, wenn der oszillierende Laserbrennpunkt aus der Laserleistung produziert wird, die bei der zweiten Größenordnung empfangen wird; und (C) eine Nachschmelztemperaturänderung durchläuft, wenn der oszillierende Laserbrennpunkt aus der Laserleistung produziert wird, die bei der dritten Größenordnung empfangen wird.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 11, wobei: (a) das Oszillationssteuersignal dazu konfiguriert ist, ein Steuersignal bereitzustellen, wobei das Steuersignal eine erste erhöhte Steuerspannung und eine zweite verringerte Steuerspannung umfasst; (b) der Aktor dazu konfiguriert ist, die Faserspitze in einer ersten Richtung entlang der einen Achse als Reaktion auf die erste erhöhte Steuerspannung zu verschieben; und (c) der Aktor dazu konfiguriert ist, die Faserspitze in einer zweiten Richtung entlang der einen Achse als Reaktion auf die zweite verringerte Steuerspannung zu verschieben.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 14, wobei der Aktor eines von einem piezo-keramischen Material oder einem piezokristallinen Material umfasst.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 11, ferner umfassend: (a) eine Sondenstrahlfaser, die mit einer Sondenlaserleistungsquelle verbunden ist, die Sondenstrahlfaser umfassend eine Sondenstrahlfaserspitze, wobei die Sondenstrahlfaser an einem Sondenstrahlaktor befestigt ist, der dazu betrieben werden kann, die Sondenstrahlfaserspitze entlang der Achse zu oszillieren, die rechtwinklig zu der Verarbeitungslinie ist, und wobei die Sondenlaserleistungsquelle dazu betrieben werden kann, Laserleistung an die Sondenstrahlfaserspitze bereitzustellen; (b) eine Sondenstrahllinse, die in dem Weg eines Sondenlaserstrahls, der durch die Sondenstrahlfaserspitze übertragen wird, positioniert ist und dazu angepasst ist, den Sondenlaserstrahl aus der Sondenstrahlfaserspitze erneut abzubilden und einen Sondenstrahlbrennpunkt auf dem Ziel zu produzieren; (c) einen Fotodetektor, der dazu konfiguriert ist, zurückgestreutes Licht von einem oszillierenden Sondenstrahl zu empfangen und das Leistungsmesssignal des zurückgestrahlten Lichts an eine Bildverarbeitungsvorrichtung als eine Reihe von Linearscanbilddaten bereitzustellen; wobei die Reihe von Linearscanbilddaten eine Scanbild des Ziels umfasst.
Oszillierendes Strahlmodul nach Anspruch 11, wobei die Reihe von Linearscanbilddaten dazu konfiguriert ist, mit einer oder mehreren anderen Reihen von Linearscanbilddaten durch die Bildverarbeitungsvorrichtung kombiniert zu werden, um ein kombiniertes Linearscanbild des Ziels bereitzustellen.
Verfahren zur additiven Weitbereichslaserfertigung, umfassend die folgenden Schritte: (a) Positionieren eines linearen Arrays von oszillierenden Strahlmodulen auf einem Gerüstsystem über einer Zielfläche; (b) Empfangen einer Zielobjektdefinition; (c) Bereitstellen von Laserleistung an das lineare Array von oszillierenden Strahlmodulen, um ein lineares Array von Brennpunkten aus einer Faserspitze von jedem oszillierenden Strahlmodul an der Zielfläche zu produzieren; (d) Bereitstellen von Oszillationssignalen an das lineare Array von oszillierenden Strahlmodulen, um einen Aktor von jedem des linearen Arrays von oszillierenden Strahlmodulen zu veranlassen, die Faserspitze von jedem des linearen Arrays von oszillierenden Strahlmodulen entlang einer Achse zu oszillieren, um eine Verarbeitungslinie an der Zielfläche zu produzieren, wobei die Verarbeitungslinie ein lineares Array von oszillierenden Brennpunkten umfasst; (e) Bereitstellen von Gerüststeuersignalen, um das Gerüstsystem zu veranlassen, das lineare Array von oszillierenden Strahlmodulen entlang einer zweiten Achse und im Wesentlichen parallel zu der Zielfläche zu bewegen, wodurch die Verarbeitungslinie dazu veranlasst wird, sich entlang der zweiten Achse der Zielfläche zu bewegen; und (f) Verwenden der Verarbeitungslinie, wobei ein Zielobjekt aus einem Material an der Zielfläche produziert wird; wobei die Laserleistung, die Oszillationssignal und die Gerüststeuersignale auf Grundlage der Zielobjektdefinition bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend die folgenden Schritte: (a) Positionieren eines linearen Arrays von Sondenstrahlmodulen auf dem Gerüstsystem; (b) Produzieren einer Sondenstrahllinie an der Zielfläche aus dem linearen Array von Sondenstrahlmodulen, wobei die Sondenstrahllinie ein lineares Array von oszillierenden Sondenstrahlbrennpunkten umfasst, und wobei die Sondenstrahllinie im Wesentlichen die gleiche Länge wie die Verarbeitungslinie aufweist; (c) Empfangen einer Reihe von zurückgestrahltem Licht von dem Zielobjekt an einem Fotodetektor von jedem des linearen Arrays von Sondenstrahlmodulen; und (d) Produzieren eines kombinierten Scanbildes des Zielobjekts auf Grundlage der Reihe von zurückgestrahltem Licht.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend die folgenden Schritte: (a) Positionieren eines linearen Arrays von oszillierenden Wärmemanagement-Strahlmodulen auf dem Gerüstsystem; (b) Produzieren einer Wärmemanagement-Verarbeitungslinie an der Zielfläche aus dem linearen Array von oszillierenden Wärmemanagement-Strahlmodulen, wobei: (i) die Wärmemanagement-Verarbeitungslinie ein lineares Array von oszillierenden Wärmemanagement-Brennpunkten umfasst; (ii) die Wärmemanagement-Verarbeitungslinie im Wesentlichen die gleiche Länge wie die Verarbeitungslinie aufweist; und (iii) die Wärmemanagement-Verarbeitungslinie dazu konfiguriert ist, das Material auf eine erste Temperatur zu erhitzen, die niedriger als eine zweite Temperatur ist, auf die das Material durch die Verarbeitungslinie erhitzt wird; und (c) Verwenden des linearen Arrays von oszillierenden Wärmemanagement-Strahlmodulen, wodurch Wärmegradienten entlang des Zielobjekts durch Erhöhen der Zeitdauer, über die das Zielobjekt eine Temperaturänderung während der Erzeugung durchläuft, reduziert werden.