ES2848400T3 - Aplicaciones, métodos y sistemas para procesamiento de materiales con láser Raman de luz visible - Google Patents

Abstract

Un aparato (500) de fabricación aditiva por láser, LAM, que comprende: a. un láser configurado para proporcionar un haz (608) funcional de láser a lo largo de una trayectoria del haz, teniendo el haz funcional del láser una longitud de onda en el intervalo de 400 nm o 500 nm; en el que el láser comprende un diodo láser de bombeo y una fibra de oscilador Raman bombeada por el diodo láser de bombeo; en el que el diodo láser de bombeo tiene una longitud de onda azul en el intervalo de 405 nm a 495 nm o una longitud de onda inferior a 500 nm; y teniendo el haz funcional de láser un M2 inferior a 2 y una potencia superior a 500 W; b. una mesa (601) de construcción; c. un material de partida y un aparato (604) de suministro de material de partida, en el que el material de partida se puede suministrar a un área objetivo adyacente a la mesa de construcción; d. un aparato (614) de suministro del haz de láser, que comprende una óptica (607) de conformación del haz para proporcionar un haz funcional de láser y formar un punto de haz de láser; e. un motor y un aparato (602) de posicionamiento, conectados mecánicamente a la mesa de construcción, el aparato de suministro de haz de láser, o ambos; por lo que el motor y el aparato de posicionamiento son capaces de proporcionar un movimiento relativo entre el aparato de suministro de haz de láser y la mesa de construcción; y, f. un sistema (502) de control, comprendiendo el sistema de control un procesador, un dispositivo de memoria y un plan de LAM, en el que el sistema de control es capaz de implementar el plan de LAM mediante la colocación predeterminada del haz funcional de láser y el material de partida.

Description

DESCRIPCIÓN

Aplicaciones, métodos y sistemas para procesamiento de materiales con láser Raman de luz visible

Esta solicitud: (i) reivindica de acuerdo con el Título 35 del Código de los Estados Unidos, párrafo 119 (e) (1), el beneficio de la fecha de presentación del 27 de agosto de 2014 de la solicitud provisional de los Estados Unidos No.

62/042.785; y (ii) reivindica de acuerdo con el Título 35 del Código de los Estados Unidos, párrafo 119 (e) (1), el beneficio de la fecha de presentación del 15 de julio de 2015 de la solicitud provisional de los Estados Unidos No.

62/193.047.

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere a láseres que producen haces de láser en el intervalo de 300 nm a 700 nm, incluyendo haces de láser de mayor potencia en estas longitudes de onda que tienen excelentes cualidades de haz. La presente invención se refiere además a procesos, sistemas y dispositivos de fabricación por láser y, en particular, a procesos de fabricación aditiva por láser que utilizan los nuevos haces de láser de los nuevos láseres de las presentes invenciones.

Antes de las presentes invenciones, los haces de láser en el intervalo de 300-700 nm se obtienen típicamente de una fuente de láser usando la duplicación de frecuencia de un láser del infrarrojo o infrarrojo cercano. Hasta la fecha se cree que, en general y en particular para sistemas comercialmente viables, la técnica no ha podido escalar estos tipos de láseres para producir láseres de mayor potencia, por ejemplo, láser de más de 500 W (0,5 kW), y en particular 1 kW y mayores. Por lo tanto, hasta la fecha se cree que la técnica no ha podido escalar estos láseres para obtener láseres de alta potencia que tengan alta calidad de haz, en el intervalo de longitud de onda de 300-700 nm. En general, se cree en la técnica que esta incapacidad para obtener láseres de alta potencia en estas longitudes de onda está limitada por la capacidad del cristal no lineal para manejar la carga de calor y los niveles de fluencia requeridos a altos niveles de potencia, entre otras cosas. Como consecuencia, actualmente se cree que el láser de alta calidad de haz de mayor potencia disponible mediante duplicación de frecuencia está limitado a aproximadamente 400 vatios (0,4 kW) pulsados. La pulsación es necesaria para manejar la carga de calor en el cristal. Se cree que no se han obtenido láseres comercialmente viables o útiles en el intervalo de 300-700 nm que tengan potencias más altas, por ejemplo, 1 kW y más, y que tengan una alta calidad de haz, por ejemplo, M(i) 2 ~ 1, antes de las presentes invenciones.

Antes de las realizaciones de las presentes invenciones, se cree que había generalmente cuatro tipos de láseres azules. Los láseres azules son aquellos que tienen longitudes de onda en el intervalo de aproximadamente 400-505 nm, y típicamente 405-495 nm. Estos láseres azules son: (i) He:Cd, (ii) iones de Ar, (iii) láser de diodo directo y de frecuencia duplicada, (iv) oscilador paramétrico de estado sólido y frecuencia duplicada y (v) láseres de fibra duplicados y láseres de fibra de frecuencia desplazada duplicados.

(i) Los láseres de He:Cd son de modo único pero con una potencia limitada a unos pocos cientos de milivatios, por ejemplo, 0,0001 kW. Los láseres de He:Cd suelen ser de modo transversal único, pero debido a la baja eficiencia de estos láseres (<0,025%) es muy difícil escalar estos láseres a niveles de alta potencia, por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones de procesamiento de materiales de alta potencia.

(ii) Los láseres de iones de Ar son muy ineficaces y, como consecuencia, están limitados a una potencia relativamente menor, menos de aproximadamente 0,005 kW de varias líneas. Estos láseres, a estas bajas potencias, son de un modo transversal único con múltiples longitudes de onda en funcionamiento. La vida útil de estos sistemas es típicamente <5000 horas, lo que es relativamente corto para la mayoría de las aplicaciones industriales.

(iii) Los láseres de diodo azul están disponibles recientemente. Sin embargo, son de baja potencia, típicamente menos de 0,0025 kW, y tienen una mala calidad de haz, por ejemplo, M2 >5 en el eje lento y M2 ~1 en el eje rápido. Actualmente, los dispositivos tienen una vida útil del orden de 20.000 horas y son adecuados para muchas aplicaciones láser industriales y comerciales. Al escalar estos dispositivos hasta 200 vatios o más, la calidad del haz disminuye con cada aumento de la potencia. Por ejemplo a 200 Watts, el M2>50.

(iv) Las fuentes de láser azul de frecuencia duplicada están típicamente limitadas a aproximadamente 0,50 kW de potencia de salida. Los métodos para crear luz azul pueden ser duplicando la frecuencia de una fuente de luz de intervalo de 800 - 900 nm o usando una mezcla de suma de frecuencias de dos longitudes de onda diferentes para generar una tercera. Cualquiera de las técnicas requiere el uso de un cristal de duplicación no lineal tal como niobato de litio o KTP. Estos cristales son relativamente cortos y, como consecuencia, requieren altos niveles de potencia máxima para lograr una conversión eficiente. Cuando se opera en modo CW, los problemas térmicos y los problemas de migración de carga pueden provocar la rápida degradación del cristal y, en consecuencia, la potencia de salida del láser.

(v) Los láseres de fibra con desplazamiento de frecuencia y luego duplicando la frecuencia en el azul requieren el uso de un cristal de duplicación no lineal como el niobato de litio o KTP. Estos cristales son relativamente cortos y, como consecuencia, requieren altos niveles de potencia máxima para lograr una conversión eficiente. Cuando se opera en modo CW, los problemas térmicos y los problemas de migración de carga pueden provocar la rápida degradación del cristal y, en consecuencia, la potencia de salida del láser.

Antes de las presentes invenciones, los haces de láser de longitud de onda azul se obtenían típicamente mediante osciladores paramétricos, mezcla de cuatro ondas y duplicación directa. Todos estos son procesos ineficientes que se basan en el uso de un cristal no lineal para lograr la longitud de onda azul. Estos cristales son incapaces de manejar las cargas de calor que se producen cuando la potencia del láser se acerca a unos 100 W (0,1 kW) CW, y mucho menos a un kW y potencias superiores.

El documento US 2003/0052105 (Nagano et al.) se refiere a un aparato de sinterización por láser. Un aparato de sinterización por láser para realizar conformados de alta velocidad y alta precisión. El resumen enseña que cuando una primera posición de una unidad de exposición se decide mediante un mecanismo de posicionamiento XY, un microespejo de un DMD se enciende y apaga de acuerdo con los datos de la imagen en una región correspondiente a la primera posición y un haz de láser en una región predeterminada que incluye ultravioleta se suministra al DMD y se modula para cada píxel de acuerdo con los datos de la imagen.

El documento US 2003/00488815 (Cook) se refiere a un dispositivo láser de guía de ondas. El resumen enseña un dispositivo láser de onda continua que tiene una trayectoria o fibra compleja de material láser Raman que ha sido micromecanizado sobre un sustrato, estando cubierta la fibra del material láser por un revestimiento protector.

El documento US 2004/0012124 A1 describe la sinterización por láser de polvo de cobre con luz láser verde o UV.

Se cree que estos tipos anteriores de láseres azules y el haz del láser que proporcionaban son inadecuados para su uso en procesos o sistemas de fabricación aditiva por láser. Se cree que estos tipos de láseres azules anteriores son incapaces de obtener los haces de láser de alta potencia, por ejemplo, longitudes de onda azules que tienen 0,1 kW y una potencia mayor, de las realizaciones de las presentes invenciones. Las fuentes de láser de alta potencia de frecuencia duplicada son típicamente fuentes de pulsos rápidos, que pueden alcanzar altos niveles de potencia máxima y, en consecuencia, una alta eficiencia de conversión. Estos tipos de láser azul anteriores también tienen características temporales para su uso en la mayoría de la fabricación aditiva por láser y, en particular, en la formación de artículos tienen tolerancias estrictas. Estos tipos de láser azul anteriores no pueden proporcionar la salida de alta potencia y CW de las realizaciones de las presentes invenciones.

Antes de las presentes invenciones, los haces de láser en los 450 nm o menos se obtenían típicamente mediante osciladores paramétricos, mezcla de cuatro ondas y triplicación de frecuencia de una fuente de IR. Todos estos son procesos ineficientes que se basan en el uso de un cristal no lineal para lograr la longitud de onda corta (200 nm-450 nm). Estos cristales son incapaces de manejar las cargas de calor que se producen cuando la potencia del láser se acerca a unos 100 W (0,1 kW) CW, y mucho menos a un kW y potencias superiores.

Antes de las presentes invenciones, los haces de láser en el intervalo de 700 nm -800 nm se obtenían típicamente bombeando un láser de colorante, osciladores paramétricos, mezcla de cuatro ondas y duplicación de frecuencia de una fuente de IR. Todos estos son procesos ineficaces, los láseres de colorante tienden a decolorarse con el tiempo y tienen un volumen de interacción limitado, lo que dificulta alcanzar altos niveles de potencia de CW. Los otros procesos se basan en el uso de un cristal no lineal para lograr la longitud de onda de 700 nm a 800 nm. Estos cristales son incapaces de manejar las cargas de calor que se producen cuando la potencia del láser se acerca a unos 100 W (0,1 kW) CW, y mucho menos a un kW y potencias superiores.

Como se usa en este documento, a menos que se indique expresamente lo contrario, los términos "fabricación aditiva por láser" ("LAM"), "procesos de fabricación aditiva por láser", "procesos de fabricación aditiva" y términos similares deben recibir sus significados más amplios posibles e incluiría procesos, aplicaciones y sistemas tales como impresión 3D, impresión tridimensional, sinterización, soldadura y soldadura fuerte, así como cualquier otro proceso que utilice un haz de láser al menos durante una etapa de la fabricación de un artículo (por ejemplo, producto, componente y pieza) que se está fabricando. Estos términos no están limitados ni restringidos por el tamaño del artículo que se está fabricando, por ejemplo, abarcarían artículos que van desde submicrómetros, por ejemplo, menos de 1 jm , hasta 1 |jm, hasta 10 jm , hasta decenas de micrómetros, hasta centenas de micrómetros, hasta miles de micrómetros, hasta milímetros, hasta metros hasta kilómetros (por ejemplo, un proceso de LAM continuo que hace una cinta o banda de material).

Como se usa en este documento, a menos que se indique expresamente lo contrario, los términos "tamaño del punto del haz del láser" y "tamaño del punto" deben recibir su significado más amplio posible e incluyen: la forma de la sección transversal del haz del láser; el área de la sección transversal del haz del láser; la forma del área de iluminación del haz del láser sobre un objetivo; el área de iluminación de un haz de láser sobre un objetivo; el "tamaño de punto de intensidad máxima", que es el área de la sección transversal del haz del láser en la que el haz del láser es al menos 1/e2 o 0,135 de su valor máximo; el "tamaño del punto de intensidad del 50%", que es el área de la sección transversal del haz del láser en la que el haz del láser es al menos 0,00675 de su valor máximo; y el área de la sección transversal del haz del láser en la que el haz del láser tiene propiedades funcionales.

Como se usa en este documento, a menos que se indique expresamente lo contrario, los términos "haz de láser de fabricación aditiva funcional", "haz funcional", "haz de láser funcional" y términos similares, significan haces de láser que tienen la potencia, longitud de onda, fluencia, irradiancia (potencia por unidad de área) y combinaciones y variaciones de estas propiedades para formar o construir los materiales de partida o de destino en un artículo; al hacer que el haz del láser haga afecto sobre estos materiales, por ejemplo, sinterizar, soldar en forma fuerte, recocer, soldar, fundir, unir, pegar, ablandar, entrecruzar, ligar, reaccionar, etc.

Como se usa en este documento, a menos que se indique expresamente lo contrario, el término "aproximadamente" pretende abarcar una varianza o intervalo de ± 10%, el error experimental o del instrumento asociado con la obtención del valor establecido, y preferiblemente el mayor de estos.

Como se usa en el presente documento, a menos que se indique expresamente lo contrario, los términos "óptica", "elemento óptico", "sistema óptico" y términos similares deben tener su significado más amplio e incluir: cualquier tipo de elemento o sistema que sea capaz de manejar el haz del láser (por ejemplo, transmitir, reflejar, etc., sin ser dañado o destruido rápidamente por la energía del haz del ); cualquier tipo de elemento o sistema que sea capaz de efectuar el haz del láser de una manera predeterminada (por ejemplo, transmitir, enfocar, desenfocar, dar forma, colimar, dirigir, escanear, etc.); elementos o sistemas que proporcionan formas de vigas multiplexadas, tal como una cruz, una forma de x, un rectángulo, un hexágono, líneas en una matriz o una forma relacionada donde las líneas, cuadrados y cilindros están conectados o espaciados a diferentes distancias; lentes refractivas; lentes difractivas; rejillas; rejillas transmisivas; espejos prismas lentes; colimadores; lentes asféricas; lentes esféricas; lentes convexas, lentes de menisco negativo; lentes biconvexas; axicones, lentes refractivos de gradiente; elementos con perfiles asféricos; elementos con dobletes acromáticos; microlentes; micromatrices; los espejos de dirección MEMS, tales como los que se utilizan en los proyectores DLP, se pueden utilizar para crear y dirigir imágenes sobre la marcha; cristales de dirección del haz de niobato de litio; galvanómetros de alta velocidad; combinaciones de motores lineales y galvanómetros de alta velocidad; cabeza óptica voladora; dispositivos de espejo deformables; y combinaciones y variaciones de estos y otros dispositivos de manipulación de haces.

Esta sección de antecedentes de la invención pretende introducir varios aspectos de la técnica, que pueden estar asociados con realizaciones de las presentes invenciones. Por lo tanto, la discusión anterior en esta sección proporciona un marco para comprender mejor las presentes invenciones y no debe considerarse como una admisión de la técnica anterior.

Resumen

El objetivo de la presente invención se resuelve mediante un aparato como se define en la reivindicación independiente 1. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

Además, se proporciona un aparato que tiene una o más de las siguientes características: en el que el diodo láser de bombeo y el oscilador Raman están configurados para proporcionar una oscilación Raman de orden n, en la que n es un número entero; en la que n se selecciona del grupo que consiste en 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9; en la que la oscilación de orden n es Stokes; en la que la oscilación de orden n es anti-Stokes.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de una realización de un sistema y proceso de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 2 es una vista en sección transversal de una realización de material de partida en una etapa de un proceso de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 2A es una vista en sección transversal de una realización de un artículo formado a partir del material de partida de la Figura 2 en una etapa posterior de una realización del proceso de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 2B es una vista en sección transversal de una realización del material de partida y el artículo de la Figura 2A en una etapa posterior de una realización del proceso de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de una realización de un artículo de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 4 es una vista en sección transversal de una realización de un artículo de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 5 es una vista en perspectiva de un sistema de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 6 es una vista en perspectiva de un sistema de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 7 es un gráfico de salida frente al porcentaje del acoplador de salida para varias longitudes de fibra del oscilador Raman para proporcionar un haz de láser funcional de 459 nm de acuerdo con las presentes invenciones. La Figura 8 es un gráfico de la potencia de salida frente al porcentaje del acoplador de salida a varias longitudes de onda de bombeo de 100 W para proporcionar un haz de láser funcional de 455 nm de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 9 es un gráfico de potencia de salida frente al acoplador de salida para un haz de láser funcional de 455 nm procedente de un haz de láser de bombeo de 100 W a 450 nm en varias longitudes de fibra de oscilador Raman de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 10 es un gráfico del tamaño de punto frente al ancho del haz del , para un haz de láser de bombeo a través de una lente de distancia focal de 500 mm para el eje lento y el eje rápido de un diodo láser colimado de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 11 es un gráfico que muestra las longitudes de onda de absorción máxima para realizaciones de materiales de partida para uso de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 12 es un gráfico que muestra la absorción de agua para su uso de acuerdo con las presentes invenciones. Las Figuras 13A a 13B son gráficos que muestran cambios de Stokes Raman para fibras Raman y cristales Raman de diversos materiales de acuerdo con las presentes invenciones.

Las Figuras 14A a 14B son gráficos que muestran cambios Raman anti-Stokes para fibras Raman y cristales Raman de diversos materiales de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 15 es el espectro Raman en una realización de una fibra de fosfosilicato para tres niveles de dopante diferentes para su uso de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 16 es un gráfico de la absorción de varios metales que muestra una mayor absorción en las longitudes de onda para realizaciones de un láser de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 17 es una vista esquemática de una realización de un sistema de LAM de acuerdo con las presentes invenciones.

La Figura 18 es un gráfico que muestra el rendimiento del láser de varias realizaciones de láseres de acuerdo con las presentes invenciones.

Descripción de las realizaciones preferidas

En general, las presentes invenciones se refieren a láseres que producen haces de láser que tienen longitudes de onda en el intervalo de 400 nm y en el intervalo de 500 nm; y dichos láseres y haces de láser en estas longitudes de onda tienen excelentes cualidades de haz. Las realizaciones de las presentes invenciones se refieren además a la fabricación aditiva utilizando los nuevos haces de láser de los nuevos láseres de las presentes invenciones.

Además, los ejemplos se refieren a materiales de partida metálicos predeterminados y longitudes de onda de láser predeterminadas para realizar la fabricación aditiva por láser en estos materiales de partida. En particular, los ejemplos se refieren a longitudes de onda de haz láser predeterminadas adaptadas a materiales de partida metálicos para realizar la fabricación aditiva por láser para fabricar artículos metálicos.

Volviendo a la Figura 1 se muestra un diagrama esquemático que ilustra una realización de un sistema y proceso de LAM. Por lo tanto, hay una base 100, una unidad 101 láser, un montaje 102 de suministro de haz de láser. El montaje 102 de suministro de haz de láser tiene un extremo 108 distal que está a una distancia 103 de separación de la base 100 (ya una distancia de separación del material de partida, cuando el material de partida está presente en la base). Normalmente, durante un proceso de LAM, el material de partida (no mostrado en la figura) es soportado por la base 100. El material de partida y el haz del láser se mueven entonces uno con relación al otro mientras el haz del 109 láser funcional viaja a lo largo de la trayectoria 110 del haz del , para formar un punto 111 de láser que contacta con el material de partida y une el material de partida para formar un artículo. El movimiento relativo (por ejemplo, escaneo de trama) del material de partida y el punto del láser se ilustra con las flechas 104 (por ejemplo, movimiento del eje x), 105 (por ejemplo, movimiento del eje y), 106 (por ejemplo, movimiento del eje z) y 107 (por ejemplo, rotación), además, se puede cambiar el ángulo en el que la trayectoria del haz del láser y el haz del láser inciden en la base y, por lo tanto, el material de partida en la base. El punto de láser también se puede mover de forma vectorial, en el que el movimiento x e y se produce simultáneamente moviendo el punto a una posición predeterminada en el material. El ángulo del haz del láser sobre el objetivo en la Figura 1 está a 90° o en ángulo recto con la base. Este ángulo se puede variar de 45° a 135°, de 30° a 120°, y de 0° a 180° y de 180° a 360° (por ejemplo, el artículo se invierte para hacer, por ejemplo, un labio en forma de U). Se pueden realizar más combinaciones y variaciones de estos diferentes movimientos relativos básicos, en coordinación con el disparo del haz del láser y la deposición del material de partida, y de esta manera se pueden realizar artículos de muchas formas y tamaños diferentes y con diversos grados de complejidad. Se entiende que estos movimientos relativos se pueden lograr moviendo la base, moviendo el montaje de suministro de láser, dirigiendo el haz del láser (por ejemplo, escaneando el haz del con escáneres galvanométricos) y combinaciones y variaciones de estos.

La unidad láser y el montaje de suministro de haz de láser pueden ser un aparato integral, o pueden estar separados y conectados ópticamente, por ejemplo, mediante fibras ópticas o un cabezal óptico volante. Además, algunos o todos los componentes de la unidad láser pueden estar en el montaje de suministro de haz de láser y viceversa. Además, estos componentes y otros componentes se pueden ubicar lejos de la unidad láser y del montaje de suministro del haz del láser. Estos componentes remotos pueden asociarse ópticamente, asociarse funcionalmente (por ejemplo, comunicación de control, comunicación de datos, WiFi, etc.) y ambos, con la unidad láser y el montaje de suministro de haz de láser. La unidad láser y el montaje de suministro de haz de láser generalmente tienen un láser de alta potencia (preferiblemente los láseres Raman descritos y enseñados en esta memoria descriptiva o los láseres de diodo directo descritos y enseñados en la solicitud No. 62/193.047 como se publicó en el documento US 2016/0322777) y dar forma al haz y manipular la óptica para enviar el haz del láser a lo largo de una trayectoria del haz del láser en un tamaño de punto predeterminado.

Preferiblemente, la unidad láser tiene un láser de alta potencia que es capaz de generar y propagar un haz de láser en una longitud de onda predeterminada y suministrar el haz del láser al montaje de suministro del haz del láser, que puede dar forma y enviar el haz del láser desde el extremo distal a lo largo de la trayectoria del haz del láser hasta el objetivo, por ejemplo, el material de partida, que podría estar en la base o en un artículo en construcción.

Por ejemplo, el haz del láser puede tener preferiblemente una, dos o más de las propiedades que se establecen en la Tabla I. (Una columna, o una fila, en la tabla no son para una realización específica; y por lo tanto, diferentes propiedades de fila se pueden combinar con diferentes propiedades de columna, por ejemplo, una potencia en una columna podría estar presente para todas las diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, una sola realización puede tener propiedades de diferentes columnas y diferentes filas de la tabla).

Tabla I

El aparato de suministro del haz de láser contiene óptica de conformación de haz de láser pasivas y activas para proporcionar un tamaño de punto predeterminado a la distancia de separación prevista. El aparato de suministro de haz de láser también puede contener, o estar asociado operativamente con dispositivos de control y monitorización. Por ejemplo, el dispositivo podría tener una visualización de la tubería con, por ejemplo, una cámara de video de alta velocidad. De esta manera, la cámara mira hacia abajo la trayectoria del haz del láser hasta la base y puede ver la formación de la mezcla de fusión a partir de la interacción de los haces de láser con el material de partida. Se pueden usar sensores o medidores de profundidad, sensores o medidores de ubicación, monitoreo láser, pirómetros infrarrojos y visibles para medir la temperatura de la mezcla de fusión y dispositivos de medición, y otros aparatos de monitoreo, análisis y control. De esta manera, el proceso de LAM, por ejemplo, el proceso de construcción o fabricación del artículo a partir del material de partida, se puede monitorear, analizar y controlar. Por lo tanto, el proceso de LAM se puede controlar para seguir una aplicación predeterminada, se puede cambiar o modificar en tiempo real o el equipo de monitoreo puede proporcionar información en tiempo real sobre la densificación y la calidad del material que se procesa.

Un dispositivo de suministro para proporcionar el material de partida también puede estar en el aparato de suministro de haz de láser, adyacente o asociado operativamente con él, o asociado de otro modo con él. De esta manera, el material de partida se puede suministrar, por ejemplo, en forma atomizada, fluida, transportada, estirada, vertida, espolvoreada, sobre la base o sobre el artículo que se está fabricando. De este modo, por ejemplo, el material de partida se puede suministrar a través de un chorro, una boquilla, un chorro coaxial alrededor del haz del láser, un conjunto de cuchilla de aire o rasqueta, cualquier aparato para suministrar el material de partida antes del movimiento del haz del láser, boquillas de atomización y otros dispositivos para suministrar y manipular el material de partida. Por ejemplo, se pueden utilizar los dispositivos de suministro de material de partida y los procesos para el suministro de materiales de partida que se encuentran en aplicaciones de impresión 3D.

Las formas de realización de los sistemas y métodos de aparatos de impresión en 3D se describen y enseñan en las patentes de los Estados Unidos Nos. 5.352.405, 5.340.656, 5.204.055, 4.863.538, 5.902.441, 5.053.090, 5.597.589 y en la publicación de la solicitud de patente de los Estados Unidos No. 2012/0072001.

Un sistema de control preferiblemente integra, monitorea y controla el funcionamiento del láser, el movimiento de varios componentes para proporcionar el movimiento relativo para construir el artículo y el suministro del material de partida. El sistema de control también puede integrar, monitorear y controlar otros aspectos de la operación, tales como el monitoreo, enclavamientos de seguridad, condiciones de operación del láser y programas o planes de procesamiento de LAM. El sistema de control puede estar en comunicación con, (por ejemplo, a través de una red) o tener como parte de su sistema, dispositivos de almacenamiento y procesamiento de datos para almacenar y calcular diversa información y datos relacionados con artículos, tales como, información del cliente, información de facturación, programas o planes de inventario, historial de operaciones, mantenimiento y procesamiento de LAM, por nombrar algunos.

Un programa o plan de procesamiento de LAM es un archivo, programa o serie de instrucciones que el controlador implementa para operar el dispositivo de LAM, por ejemplo, una impresora 3D, para realizar un proceso de LAM predeterminado para elaborar un artículo predeterminado. El plan de procesamiento de LAM puede basarse en, o derivarse de, un archivo de modelo o dibujo en 3D, por ejemplo, archivos CAD, tales como archivos en formatos estándar que incluyen, por ejemplo, .STEP, .STL, .w Rl (VRML), .PLY, .3DS y .ZPR. El controlador tiene el plan de procesamiento de LAM (por ejemplo, en su memoria, en una unidad, en un dispositivo de almacenamiento o disponible a través de la red) y usa ese plan para operar el dispositivo para realizar el proceso de LAM para construir el artículo deseado. El controlador puede tener la capacidad de usar directamente el archivo del modelo 3D o convertir ese archivo en un plan de procesamiento de LAM. La conversión puede realizarse mediante otro ordenador y ponerse directamente a disposición del controlador, o guardarse en la memoria o en un dispositivo de almacenamiento para su uso posterior. Un ejemplo de un programa para convertir un archivo de modelo 3D en un plan de procesamiento de LAM es ZPrintMR de Z Corp.

Los materiales de partida pueden ser líquidos, fluidos, sólidos, emulsiones inversas, emulsiones, coloides, microemulsiones, suspensiones, por nombrar algunos, y combinaciones y variaciones de estos. Los sistemas de materiales de partida basados en fluidos, por ejemplo, suspensiones, coloides, emulsiones, tienen un componente portador y un componente de construcción dispersos dentro del componente portador. El componente de construcción interactúa con el haz del láser para elaborar el artículo. Estos sistemas de materiales de partida pueden tener un componente portador que sea transmisivo a la longitud de onda del láser y un componente de construcción que sea absortivo a la longitud de onda del láser. Volviendo a la Figura 11 y Figura 12 se muestran las características de absorción de ejemplos de materiales de partida metálicos, por ejemplo, materiales de construcción, y las características de absorción de un ejemplo de un componente portador, agua. Puede verse a partir de estas figuras que a la longitud de onda de 450 nm los componentes de construcción son altamente absortivos mientras que el agua es fácilmente transmisiva a esa longitud de onda. Por lo tanto, para sistemas de materiales de partida basados en fluidos, para una longitud de onda láser predeterminada, y en particular las longitudes de onda láser de la Tabla I, el componente de construcción puede tener una absorción que es al menos 2 veces la absorción del componente portador, al menos 5 veces la absorción del componente portador, al menos 10 veces la absorción del componente portador, y al menos 100 veces la absorción del componente portador.

Volviendo a la Figura 16 se muestran las características de absorción de alúmina, cobre, oro, plata, titanio, hierro, níquel, acero inoxidable 304 y estaño, que pueden ser la base o constituir materias primas. A partir de este gráfico se observa que en las longitudes de onda para las realizaciones de los láseres presentes, por ejemplo, la línea 1602, la absorción de estos metales es mayor que su absorción en las longitudes de onda de IR, por ejemplo, la línea 1601.

Preferiblemente, para las longitudes de onda de la Tabla I, los materiales de partida son partículas a base de metal, por ejemplo, perlas, polvo, partículas. Por lo tanto, las realizaciones del material de partida pueden ser partículas de magnesio, aluminio, galio, estaño, plomo, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, zinc, circonio, molibdeno, rodio, paladio, plata, cadmio, tungsteno, oro y mercurio, aleaciones de estos y otros metales, Inconel 625, Invar, acero inoxidable, acero inoxidable 304 y mezclas y variaciones de estos y otros metales y aleaciones. Las realizaciones de los materiales de partida pueden ser, o incluir: materiales cerámicos, tales como carburo de silicio, sustratos de vitrocerámica de aluminosilicato fotoestructurables; plásticos rellenos de aluminio; nailon resistente a los impactos; nailon; nailon relleno de vidrio; nailon retardante de llama; fibra de carbono; nailon relleno de fibra de carbono; y plásticos similares al caucho, por nombrar algunos. La realización de sistemas también puede incluir una cuchilla de aire de gas que fluye para asegurar que el sistema óptico permanezca limpio así como también proporciona un medio para capturar cualquier volátil liberado durante el procesamiento de los materiales. Las partículas también pueden contener metales y otros materiales tales como cerámica o relleno, por ejemplo para elaborar un artículo complejo de metal mixto o un artículo de material compuesto. También se pueden usar otros tipos de materiales de partida conocidos en las artes de la impresión en 3D. Preferiblemente, la longitud de onda funcional del haz del láser puede adaptarse, por ejemplo, predeterminarse, a las características de absorción del material de partida. De este modo, por ejemplo, en la Figura 11 se muestran realizaciones de materiales de partida que tienen una absorción entre buena y alta a 450 nm y que también se muestran en la Figura dieciséis.

Las partículas metálicas pueden incorporarse, y preferiblemente, distribuirse uniformemente en una fibra o varilla, para alimentarse en la trayectoria del haz del láser para construir un artículo. Preferiblemente, el portador de las partículas metálicas en la fibra o varilla puede incorporarse en la aleación que se está formando estableciendo la proporción correcta de cada metal con la "tubería" metálica proporcionando el equilibrio necesario de materiales en la mezcla de fusión. Además, el portador de la fibra o varilla podría ser un material no metálico que es vaporizado por el haz funcional del láser, eliminado por el sistema de cuchilla de aire, con un efecto mínimo, insignificante o nulo sobre los materiales de partida o el artículo construido. El material de soporte también puede seleccionarse para formar parte del artículo, tal como un artículo de material compuesto. Por ejemplo, el haz funcional del láser puede tener características de absorción que permitan la fusión de las partículas metálicas creando una matriz para el artículo que luego se rellena con el material portador.

Los láseres novedosos y nuevos y los haces de láser de alta potencia brindan muchas oportunidades para que estos tipos de combinaciones predeterminadas de materiales de partida aprovechen las diferentes características de absorción y construyan materiales y artículos que no se podían obtener con la impresión 3D previa, y que no podían obtenerse generalmente a longitudes de onda por debajo de aproximadamente 700 nm. Además, si las partículas metálicas se encuentran en el intervalo submicrométrico, se proporciona la capacidad de construir artículos de materiales nanocompuestos únicos y nuevos y materiales nanocompuestos.

Debe entenderse que un artículo, y un artículo construido o fabricado, puede ser, por ejemplo, un producto final terminado, un componente terminado para su uso en un producto final, un producto o componente que necesita procesamiento adicional o etapas de fabricación adicionales, un material para usar en otras aplicaciones y un recubrimiento sobre un sustrato, por ejemplo, un recubrimiento sobre un alambre.

Las partículas del material de partida pueden estar compuestas en su totalidad por un solo metal o una sola aleación, pueden estar compuestas completamente por una mezcla de varios metales, aleaciones y ambos, pueden estar compuestas por aproximadamente un 5% a aproximadamente un 100% de un metal, una aleación o ambos. El componente a base de metal de la partícula de material de partida se puede ubicar en el exterior de la partícula, para que el haz del láser entre en contacto directamente y para que esté disponible para unir partículas entre sí. Las partículas pueden tener la misma forma, esencialmente la misma forma o pueden tener formas diferentes. Las partículas pueden ser esencialmente del mismo tamaño o pueden tener diferentes tamaños. Las partículas pueden tener secciones transversales desde aproximadamente <1 pm hasta aproximadamente 1 mm, aproximadamente 1 pm hasta aproximadamente 100 pm, aproximadamente 1 pm hasta aproximadamente 5 pm, aproximadamente 0,05 pm hasta aproximadamente 2,5 pm, aproximadamente 0,1 pm hasta aproximadamente 3,5 pm, aproximadamente 0,5 pm hasta aproximadamente 1,5 pm, aproximadamente 1 pm hasta aproximadamente 10 pm, aproximadamente 0,1 pm hasta aproximadamente 1 pm y tamaños mayores y menores. El tamaño de partícula, por ejemplo, la sección transversal, puede tener un tamaño predeterminado con respecto a una longitud de onda funcional predeterminada del haz de láser. De este modo, por ejemplo, las partículas pueden tener un tamaño que es aproximadamente 1/10 del tamaño del punto del haz del láser, lo mismo que la longitud de onda del haz del láser, 2 veces más grande que la longitud de onda, 3 veces más grande que la longitud de onda, 5 veces más grande que la longitud de onda, y 10 veces más grande que la longitud de onda, así como tamaños más pequeños y más grandes. Preferiblemente, el uso de partículas que tienen un tamaño más pequeño que el punto del haz del láser y un punto del haz del láser de aproximadamente el mismo tamaño del haz del láser, por ejemplo, un haz limitado por difracción de modo único que forma su punto más pequeño, puede proporcionar artículos de muy alta resolución, por ejemplo, impresión 3D de alta resolución.

El tamaño y la forma de las partículas se pueden predeterminar con respecto a un punto de haz de láser funcional predeterminado. Por lo tanto, por ejemplo, las partículas pueden tener un tamaño que es más pequeño que el punto del haz del láser (por ejemplo, 1/2, 1/5, 1/10), que es aproximadamente el mismo que el punto del haz del láser, 2 veces más grande que el punto, 3 veces más grande que el punto, 5 veces más grande que el punto y 10 veces más grande que el punto. Las partículas pueden tener formas que son esencialmente las mismas que la forma del punto del haz del láser, por ejemplo, perlas esféricas para un punto circular, o que son diferentes, y combinaciones y variaciones de estas.

Para un lote de partículas en un material de partida que tiene una distribución de tamaño de partícula, cuando se hace referencia al tamaño de las partículas, se puede usar la distribución de tamaño de partícula media, por ejemplo, Dso. Las máquinas de impresión 3D típicas tienen un tamaño de partícula promedio de 40 pm con partículas que varían en tamaño de 15 pm a 80 pm. Se prefieren las distribuciones de partículas que están más controladas y mejorarán la rugosidad de la superficie de la pieza impresa final.

La forma de las partículas en el material de partida puede tener cualquier forma volumétrica y puede incluir, por ejemplo, las siguientes: esferas, gránulos, anillos, lentes, discos, paneles, conos, formas frustocónicas, cuadrados, rectángulos, cubos, canales, cámaras huecas selladas, esferas huecas, bloques, láminas, recubrimientos, películas, capas delgadas, losas, fibras, fibras cortadas, tubos, copas, formas irregulares o amorfas, elipsoides, esferoides, óvolos, estructuras multifacéticas y poliedros (por ejemplo, octaedro, dodecaedro, icosidodecaedro, triacontaedro rómbico y prisma) y combinaciones y varias de estas y otras formas más complejas, tanto de ingeniería como de arquitectura. La forma de partículas preferida es esencialmente esferas casi perfectas, con una distribución de tamaño estrecha, para ayudar al flujo de las partículas a través del sistema, así como para reducir la rugosidad de la superficie de la pieza final producida. Se prefiere cualquier forma que reduzca la adherencia, la fricción y ambas, entre las partículas cuando el tamaño medio de las partículas es menor de 40 pm.

Volviendo a las Figuras 2 a 2B se muestra una representación esquemática de una realización de un proceso de LAM. En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado de varias partículas de material de partida, por ejemplo, 201,202, 203 que forman dos capas 204, 205. En operación, el haz funcional del láser interactúa con las partículas del material de partida fusionándolas para formar, como se ve en la Figura 2A, una sección 206 inicial del artículo 207. En la Figura 2B, se coloca una capa 208 adicional de partículas de material de partida, por ejemplo, 209, en la sección 206 inicial. El haz funcional de láser que fusiona entonces la capa 208 adicional con la sección 206 inicial, construyendo además el artículo 207. Este proceso se repite luego hasta que el artículo esté completo.

En la realización del proceso y artículo de la Figura 2 a 2B, el artículo está construido como un material monolítico esencialmente sólido, como se muestra, por ejemplo, en la sección 206 inicial. Los dispositivos y el proceso de LAM, y en particular los dispositivos de LAM que utilizan los haces de láser de la Tabla 1, tienen la capacidad de fabricar artículos que exceden la resistencia sin la necesidad de una infiltración separada, o etapa de infiltración de resina, para fortalecer el artículo. Por lo tanto, las realizaciones de los presentes dispositivos y procesos de LAM pueden elaborar artículos en una sola etapa (es decir, sin un proceso de infiltración, llenado o relleno posterior) que pueden ser 2, 3, 4, 10 o más veces más fuertes que los artículos elaborados por un solo proceso, así como artículos elaborados mediante un proceso de reinfiltración en dos etapas, con las actuales impresoras 3D. Por lo tanto, las realizaciones de la presente construcción de LAM, por ejemplo, artículos impresos en 3D, de las presentes invenciones pueden tener las propiedades que se establecen en la Tabla II.

Tabla II

Las realizaciones de los artículos y materiales fabricados mediante LAM, y en particular, los artículos que se fabrican mediante un proceso de impresión 3D de una sola etapa pueden tener una o más de las siguientes propiedades: Expansión Térmica |jm/(m-K) (a 25 °C) de 0 a 32; Conductividad Térmica W/(m-K) de 18 a 450; Resistividad Eléctrica nü-m (a 20 °C) de 14 a 420; Módulo de Young GPa de 40 a 220; Módulo de Cizallamiento GPa de 15 a 52; Módulo de Compresibilidad GPa 40 a 190; Coeficiente de Poisson de 0,2 a 0,5; Dureza de Mohs de 1 a 7; Dureza de Vickers MPa de 150 a 3500; Dureza de Brinell MPa 35 a 2800; Densidad g/cm31,5 a 21 y combinaciones de estas y otras características y propiedades.

Volviendo a la Figura 3 se muestra una realización de un artículo, en forma de un esqueleto 301 construido, de materiales de partida metálicos que pueden formarse fusionando selectivamente materiales de partida metálicos usando un haz de función láser de acuerdo con un plan de procesamiento de LAM. El esqueleto 301 tiene filamentos interconectados, por ejemplo, 302, 303 y huecos, por ejemplo, 304. Se pueden realizar procesos de LAM adicionales u otros procesos en este artículo 301, o puede ser un artículo terminado, por ejemplo, un filtro.

Volviendo a la Figura 4, se muestra una realización de un artículo 400 construido que se compone de varias partículas de material de partida de diferentes tamaños, por ejemplo, 401, 403, 404. Las partículas se fusionan en uniones, por ejemplo, 405, 406, 407 y forman huecos, por ejemplo, 408. En este artículo 400 se pueden realizar otros procesos de LAM, u otro proceso, o puede ser un artículo terminado.

Volviendo a la Figura 5 se muestra una vista en perspectiva de una realización de un sistema 500 de LAM. El sistema 500 tiene un gabinete 501 que contiene la unidad láser, el montaje de suministro de haz de láser y la base. El gabinete 501 también contiene los motores, sensores, actuadores, boquillas, dispositivos de suministro de material de partida y otros dispositivos utilizados para realizar el movimiento relativo y para suministrar el material de partida de una manera predeterminada, por ejemplo, el equipo y los dispositivos para implementar el plan de procesamiento de LAM. El gabinete 501, y más específicamente los componentes dentro del gabinete 501, están en comunicación de datos y control con una estación 502 de operación, que tiene un controlador, a través del cable 503. El controlador puede ser un PLC (controlador lógico programare), un controlador de automatización y del dispositivo, un PC u otro tipo de ordenador que pueda implementar el plan de procesamiento de LAM. En esta realización, la estación operativa tiene dos GUI (interfaces gráficas de usuario) 503, 504, por ejemplo, monitores. El gabinete 501 tiene un panel 505 de acceso, que puede ser una ventana que tenga un cristal seguro para láser.

En realizaciones del sistema de LAM, el sistema, y preferiblemente el gabinete, puede contener los siguientes componentes adicionales: filtros de aire automáticos, almacenamiento a granel de material de partida, compresor para suministrar aire para limpiar el artículo terminado, sistema de filtrado interno para permitir que el área de construcción (por ejemplo, el sitio en el que el haz funcional del láser está interactuando y fusionando los materiales de partida) permanezca limpio y libre de polvo u otros materiales que puedan interferir con el recorrido del haz del láser a lo largo de la trayectoria del haz del láser. Además, el controlador puede estar ubicado en el gabinete, adyacente al gabinete o en una ubicación remota, pero en control y comunicación de datos con el sistema. También se pueden usar monitores de oxígeno tanto en la cámara de construcción como en el filtro, y preferiblemente se usan, para monitorear continuamente la ausencia de oxígeno.

Volviendo a la Figura 6 se proporciona una vista en perspectiva de un área 600 de construcción de LAM. El área 600 de construcción tiene una mesa 601 de construcción que tiene un motor 602 de accionamiento, que está conectado a la mesa 601 mediante un robot 603 articulado. De esta manera, se puede controlar el movimiento de giro, el ángulo, la distancia de separación de la mesa. Un montaje 604 de suministro de material de partida tiene una línea 605 de alimentación de material de partida y una boquilla 606 colocada junto al sitio al que se dirige el haz 608 del láser. El haz 608 del láser se emite desde el cabezal 614 del láser. El cabezal 614 del láser tiene una cámara 611 para observar el proceso de LAM, un conector 612 y una fibra 613 óptica para emitir el haz funcional del láser desde la unidad del láser y un montaje 607 óptico de conformación del haz por ejemplo, óptica de enfoque, para enviar el haz 608 del láser a lo largo de una trayectoria 616 del haz del láser al área 617 objetivo. El cabezal 614 del láser tiene dos dispositivos 609, 610 de determinación de la posición del láser, que utilizan haces de láser para medir y controlar el tamaño de la posición y la forma del artículo a medida que se construye durante el proceso de LAM. El cabezal 614 del láser tiene una montura 615 que está conectada a un bastidor que no se muestra. El bastidor y el motor 602 de accionamiento también pueden ser integrales y móviles para proporcionar tipos adicionales de movimiento relativo.

Los intervalos de longitudes de onda inferiores, por ejemplo, aproximadamente 700 nm y menores proporcionan ventajas significativas en LAM y, en particular, en la impresión 3D. En estos intervalos de longitud de onda más bajos, la mayor absortividad del material de partida, y en particular los materiales de partida metálicos y basados en metales, proporciona, entre otras cosas, la capacidad de realizar procesos de LAM con mayores eficiencias. Por ejemplo, debido a la mayor absortividad, se necesita menos potencia del láser para realizar la unión de los materiales de partida para construir un artículo. Esto puede dar como resultado tiempos de construcción más rápidos, dispositivos de LAM menos costosos, dispositivos de LAM que requieren menos mantenimiento y que tienen ciclos de trabajo más largos, entre otras ventajas.

Por ejemplo, las realizaciones de impresoras 3D, que construyen artículos metálicos, pueden tener velocidades de impresión lineales superiores a 1 m/s, superiores a 5 m/s y superiores a 10 m/s. Además, y en general dependiendo del material particular, un láser azul puede cortar láminas de metal de 2 mm o más delgadas al menos aproximadamente 4 veces más rápido que un láser de CO2 y al menos aproximadamente 2 veces más rápido que un láser de fibra. Visto de otra manera, esto permite que un láser azul de 2 kW tenga las mismas velocidades de corte para estos materiales que un láser de CO2 de 5-8 kW. La mayor absorción de la luz láser azul es una ventaja y se prefiere cuando un proceso adiabático domina el proceso láser, como es el caso del corte, soldadura y sinterización de materiales delgados. Esta ventaja se utiliza menos, o proporciona un beneficio menor, para materiales que son 5 mm o más gruesos en los que el proceso está limitado por la difusividad térmica del material que se está procesando y, como consecuencia, las propiedades de absorción tienen un efecto menor en el proceso que solo la potencia total que se está utilizando.

Además, las longitudes de onda menores proporcionan la capacidad de tener tamaños de puntos sustancialmente más pequeños y un mayor control sobre el proceso de construcción. De esta manera, con los presentes sistemas de LAM se pueden obtener artículos con bordes más afilados, superficies más lisas y que tengan características y propiedades superficiales muy refinadas, iguales a las de las piezas finamente mecanizadas. Básicamente, el tamaño del punto formado por el láser está limitado por la longitud de onda del láser de la fuente, cuanto más corta es la longitud de onda, más pequeño es el tamaño del punto que se forma para un sistema de distancia focal dado. Sin embargo, si se desea el mismo tamaño de punto, se puede usar una lente de mayor distancia focal con un láser azul en comparación con un láser de infrarrojos, lo que permite que el láser azul proporcione hasta 8 veces el volumen direccionable de la fuente de láser de infrarrojos.

El tamaño del punto del sistema combinado con el tamaño de las partículas que se fusionan determina el tamaño mínimo de la característica y la rugosidad de la superficie. El uso de partículas de diámetro más pequeño (<40 pm, <10 pm o <1 pm) con un tamaño de haz de <40 pm, <10 pm o <1 pm puede producir una pieza con un tamaño mínimo de características del orden de ~40 pm, ~10 pm o ~1 pm, lo que da como resultado una mejora espectacular en la rugosidad de la superficie de la pieza <1 pm. Cuanto más pequeño sea el punto y más pequeñas las partículas que se utilizan para formar la pieza, significa que la contracción y las tensiones en la pieza se pueden controlar significativamente mejor que con partículas más grandes y, como consecuencia, se puede lograr una mayor estabilidad de la pieza. Cuanto menor sea el volumen de material procesado, menos energía se requiere para fundir el "vóxel", como consecuencia, el sustrato o la pieza en construcción experimentará un gradiente térmico más bajo durante la fabricación y, como consecuencia, una menor cantidad de contracción a medida que la pieza se "enfría" a partir de su temperatura de procesamiento. Por lo tanto, utilizando menos potencia del láser, por ejemplo, menor entrada de calor, para fusionar partículas en un sólido, se puede lograr una mayor resistencia y menor deformación del artículo que se está construyendo.

Las realizaciones de los láseres Raman de las presentes invenciones proporcionan haces de láser que tienen longitudes de onda en el intervalo de 400 nm y en el intervalo de 500 nm. Los láseres Raman tienen potencias de al menos aproximadamente 10 W (0,01 kW), al menos aproximadamente 100 W (0,1 kW), al menos aproximadamente 1000 W (1 kW), al menos aproximadamente 5 kW y más. Además, los láseres Raman y los haces de láser de las presentes invenciones tienen una calidad de haz excelente. Por lo tanto, las realizaciones de estos haces generados por láser Raman pueden tener la escalabilidad de los parámetros de haz mostrada en la Figura 18. Esta figura resalta los parámetros de haz que se pueden generar con una línea 1801 de fuente directa de diodo láser azul (450 nm), una línea 1802 de fuente de diodo de láser azul de longitud de onda combinada, una fuente de láser Raman que es la línea 1803 combinada ópticamente y una línea 1804 de fuente de láser Raman azul de longitud de onda combinada. La fuente de láser Raman proporciona un brillo de fuente que es superior a los láseres de IR de potencia de salida similar. La fuente Raman de longitud de onda combinada proporciona una potencia y un brillo de haz sin precedentes en una amplia gama de niveles de potencia de salida. La fuente de láser Raman puede tener una escalabilidad similar a la fuente de láser Raman de longitud de onda combinada con el desarrollo de fibras ópticas de núcleo grande capaces de mantener un rendimiento de modo único en un amplio intervalo espectral (~ 10 pm para sílice fundida).

Una matriz de láseres de diodos azules (que tienen al menos 10, al menos 50 y al menos 1000 diodos) que emiten en la región de 405-475 nm puede bombear un láser Raman de orden n para oscilar en cualquier orden, por ejemplo, Raman de ordenes n, entre 410 nm y el infrarrojo cercano de 800 nm. Actualmente se prefieren los ordenes n en el intervalo de 405-475 nm, ya que hay varios diodos láser disponibles comercialmente en intervalos de bombeo de longitud de onda para proporcionar los intervalos de Raman de orden n.

La matriz de láser de diodo azul puede bombear un láser Raman Anti-Stokes generando longitudes de onda tan cortas como 300 nm a través de Raman de ordenes n. Si bien la ganancia del Anti-Stokes es sustancialmente menor que la del Stokes, es preferible utilizar un medio de baja pérdida cuando se pasa de la longitud de onda de la bombeo de 450 nm a 300 nm.

En una realización, la bombeo de diodos láser azul se basa en diodos láser individuales en la caja T056 o montados individualmente. Generalmente, el haz del láser de bombeo del diodo láser se colima en dos ejes. Los diodos láser se pueden colocar en un paquete modular antes de insertarlos en un plano posterior, en el que todos los diodos láser pueden ser colineales y enfocados simultáneamente en una sola fibra. Los diodos láser también se pueden montar en un solo portador, sus haces colimados y lanzados en una fibra por una sola óptica de enfoque. Por lo tanto, el haz del diodo láser se puede lanzar a una fibra de doble revestimiento en el que el revestimiento exterior es de 20 pm o más, y el núcleo interior tiene un diámetro suficiente para soportar la operación en modo único en el Raman de n-ésimo orden que será la longitud de onda del láser de salida. La relación del revestimiento exterior al núcleo interior está limitada por el umbral del orden n 1, en el que se desea bombear el orden n-ésimo, pero no el n 1. El n 1 puede suprimirse limitando la relación del núcleo exterior al interior, la longitud de la fibra o mediante un filtro en el resonador para suprimir el orden n 1.

En una realización preferida, los láseres azules Raman de las presentes invenciones son escalables a 2,9 kW cuando son bombeados por una fuente de láser azul de alto brillo. A estos niveles de potencia, la eficiencia de conversión de las bombeos de diodo láser azul a la longitud de onda de 455 nm o 459 nm puede llegar hasta el 80%, lo que da como resultado una eficiencia de conversión eléctrico-óptica del sistema de >20%.

El proceso de conversión Raman depende y puede ser muy dependiente de las pérdidas modales de la fibra óptica en la longitud de onda azul. Esta pérdida se debe principalmente a la dispersión de Rayleigh en la fibra y se escala de acuerdo con la cuarta potencia inversa de la longitud de onda, por lo que las pérdidas a 450 nm pueden ser del orden de 30 dB/km. Esta pérdida puede convertirse en una preocupación y, en algunas realizaciones, la principal preocupación al diseñar el sistema láser. Para abordar esta pérdida, las realizaciones del presente láser Raman pueden usar una fibra óptica corta (por ejemplo, <15 m, <10 m, <5 m, <3 m). Estas realizaciones de menor longitud mejoran la eficacia operativa del láser. Sin embargo, se entiende que se contemplan fibras más largas. Por lo tanto, las fibras oscilantes Raman pueden ser de 30 m y más, 50 m y más, 80 m y más y 100 m y más de longitud.

El modelado de una realización de este láser Raman muestra que pueden usarse reflectividades de acoplador de salida relativamente altas para lograr un alto nivel de potencia de oscilación en el primer orden de conversión Raman que da como resultado una transferencia de energía eficiente a este orden. Las pérdidas de conversión de energía debidas al cambio Raman son nominales, ya que la longitud de onda de la bombeo es 447 nm y el primer orden Raman puede verse obligado a oscilar a 455 nm. Esto corresponde a un defecto cuántico de solo el 2% con el 98% de la energía disponible en la longitud de onda de conversión. Sin embargo, la dispersión de Rayleigh en la fibra limita la eficiencia de conversión a menos del 80% para las fibras más cortas modeladas (6 m). Entendiéndose que se contempla un láser de fibra más corto que este láser modelado, y que son alcanzables eficiencias de conversión mayores y menores. Por el contrario, si la dispersión de Rayleigh se puede reducir en una fibra óptica, por ejemplo, para una fibra dopada con P2O5 que representa el 85% de las pérdidas de la fibra de sílice fundida, mientras que la ganancia es un factor 5 veces superior, entonces se pueden obtener eficiencias aún mayores.

Los láseres de conversión Raman de las presentes invenciones son capaces de manejar Raman de ordenes n. Esta capacidad se puede utilizar para diseñar una salida de láser de fibra que pueda oscilar a una longitud de onda predeterminada y, por ejemplo, a 455 nm o 459 nm. Esta realización puede diseñarse para oscilar simultáneamente a diferentes longitudes de onda, por ejemplo, tanto a 455 nm como a 459 nm. Preferiblemente, se suprime el siguiente orden de Raman. Esta supresión se puede lograr, por ejemplo, con un buen recubrimiento de AR en la fibra, limitando la longitud de la fibra y limitando la relación entre el revestimiento y el núcleo, la adición de un filtro con pérdida en línea en el siguiente orden de Raman y combinaciones y variaciones de estos.

Además de las fibras, los osciladores Raman pueden ser cristales y gases. Los osciladores de cristal Raman pueden ser, por ejemplo, diamante, KGW, YVO4 y Ba(NO3)2. Los osciladores de gas Raman pueden ser, por ejemplo, gases a alta presión a presiones de, por ejemplo, 50 atmósferas, hidrógeno a alta presión y metano a alta presión.

Mediante la combinación de un láser Raman bombeado por revestimiento con métodos de combinación de haz de diodo láser se permite el diseño y construcción de un láser de fibra de varios kW a una longitud de onda en el intervalo de 400-800 nm, por ejemplo, a 455 nm o 459 nm. La Figura 7 es la salida prevista para esta fuente de láser cuando se lanza hasta 4.000 vatios de potencia de diodo láser en un revestimiento de 200 pm de diámetro con un núcleo de modo único de 30 pm en función de la longitud de la fibra. La Figura 7 muestra la potencia de salida en W frente al % de acoplador de salida para láseres de fibra Raman que producen haces de láser de 459 nm a partir de fibras Raman con longitudes de 20 m, 15 m, 10 m, 8 m y 6 m. Estas realizaciones de fibra de longitud más corta tienen la ventaja adicional de reducir, mitigar y preferiblemente eliminar las consecuencias adversas de otro fenómeno no lineal, tal como la dispersión estimulada de Brillouin, al tiempo que se suprime la oscilación de orden Raman del siguiente orden.

En los métodos que utilizan un convertidor Raman de diamante o material similar, se utiliza un resonador convencional, por ejemplo, un resonador confocal completo o medio confocal, combinado con un haz de bombeo adaptado al modo. El diamante es único debido al gran cambio de Stokes y al alto coeficiente de ganancia de Raman.

Las realizaciones del cambio de Stokes para varios osciladores se muestran en la Tabla III, en la que el primer cambio de Stokes corresponde a un cambio de 29 nm en la longitud de onda de la luz, de 450 nm a 479 nm, uno de los cambios de Stokes individuales más grandes posibles con los materiales disponibles actualmente que son transparentes en esta longitud de onda. Se pueden utilizar otros métodos de conversión Raman para lograr una operación visible de alta potencia, como por ejemplo, el lanzamiento a una fibra de sílice fundida pura, una fibra óptica dopada con GeO2, una fibra óptica dopada con P2O5 (fósforo), un cristal KGW bombeado por una matriz de diodos láser o una sola fuente de láser, un cristal YVO4 (vanadato de itrio) bombeado por una serie de diodos láser o una sola fuente láser, un cristal de Ba(NO3)2 (nitrato de bario) bombeado por una serie de diodos láser o un solo láser fuente.

Tabla III

Un ejemplo del concepto de empaquetado para estos diodos láser permite una configuración muy compacta y de alta densidad con un diseño altamente modular que puede proporcionar suficiente redundancia para una confiabilidad excepcional. Las formas de realización de los dispositivos láser de diodo azul oscilan a 450 nm a 20 °C. Esta longitud de onda se puede cambiar a longitudes de onda más bajas enfriando los diodos, por ejemplo, el desplazamiento de la longitud de onda del diodo láser de GaN es del orden de 0,04 a 0,06 nm/°C. Las longitudes de onda también se pueden reducir bloqueando el diodo con una rejilla externa, tal como una rejilla de volumen de Bragg (VBG) o una rejilla reglada en una cavidad externa de Littrow o Littman-Metcalf. Solo se necesita una VBG para bloquear todo el conjunto de bombeos a la longitud de onda requerida. Aunque se pueden utilizar dos, tres o más VBG. La longitud de onda de la bombeo puede ser de 450 nm para láseres Raman que oscilan a 455 nm o 459 nm. Cabe señalar que la línea de 455 nm tiene una ganancia menor que la línea de 459 nm y da como resultado eficiencias de conversión más bajas.

Las bombeos de diodos de láser azul están acopladas por fibra y empalmadas por fusión al láser Raman, por ejemplo, la fibra del oscilador Raman. Esto es preferible y proporciona el diseño más robusto, capaz de funcionar en condiciones extremas tales como alta vibración y grandes cambios de temperatura. Se reconoce que, aunque se prefiere para condiciones extremas, se puede emplear otra forma de acoplar el láser de bombeo y los láseres a las fibras del oscilador Raman, como espacio libre con ópticas externas.

Volviendo a la Figura 8, se muestra la salida modelada de un láser de fibra de oscilador Raman que tiene un revestimiento de 62,5 pm de diámetro con un núcleo de 10 pm de diámetro. El láser tiene una rejilla de HR en la longitud de onda de la bombeo en el extremo distal de la fibra y una rejilla de HR en el primer orden Raman en el extremo de entrada de la bombeo de la fibra. La reflectividad del acoplador de salida en el extremo distal de la fibra en el primer orden Raman se varía para estudiar la dependencia de la longitud de la fibra y la longitud de onda del centro de la bombeo. Se prefieren los diseños que requieren alta reflectividad en el primer orden Raman para la supresión de la oscilación Raman de segundo orden, pero no son un requisito. Los resultados para cuando se varían las longitudes de onda de la bombeo de 450 nm, 449 nm, 448 nm y 447 nm acopladas en esta fibra de oscilador Raman se muestran en la Figura 8 para una salida de oscilador de 455 nm, demostrando así el ancho de banda de la bombeo para la oscilación en la longitud de onda predeterminada. En este gráfico y modelo, la potencia de salida se muestra como una función del acoplador de salida y la longitud de onda de la fuente de la bombeo. La fibra tiene 15 metros de longitud con 0,21 na para el revestimiento de 62,5 pm de diámetro. Un revestimiento exterior más alto na permite incluso niveles de potencia altos de salida que se inyectan en el revestimiento.

Los resultados de la simulación del láser Raman de 459 nm se muestran en la Figura 9. En esta realización, el láser Raman está proporcionando un haz de láser a 459 nm, en el que la potencia de salida se muestra como una función del acoplador de salida para dos longitudes de fibra, 20 m y 15 m. La configuración de revestimiento y núcleo es idéntica a la realización de la Figura 8, y 459 nm es el primer orden Raman para estas fibras cuando se bombea con la longitud de onda central de 450 nm de los diodos láser. Esta longitud de onda se puede estabilizar usando una rejilla de volumen de Bragg con un efecto nominal en la potencia de salida si se desea una operación de temperatura de banda ancha

Se midió una realización de una bombeo de diodo láser azul, que produce un haz de 450 nm, usando una lente de distancia focal de 500 mm para determinar el haz cáustico y, en consecuencia, el diámetro de la fibra en el que se puede lanzar la matriz de láser. La Figura 10 muestra el ancho del haz en función de la potencia de salida que no varía sustancialmente con la potencia de salida del dispositivo. Esta figura muestra que el eje lento tiene un ancho 1/e2 de 200 pm que se traduce en un ancho de haz de 30 pm cuando se usa una lente de distancia focal de 80 mm. La Figura 10 también tiene graficado el eje rápido. Esto implica que para esta realización se puede lograr una eficacia de acoplamiento superior al 90% en una fibra de 62,5 pm de diámetro. La potencia y el brillo de la bombeo se pueden duplicar utilizando ambos estados de polarización antes del lanzamiento a la fibra de 62,5 pm de diámetro. Por lo tanto, en esta realización habrá una salida de aproximadamente más de 60 vatios con una entrada de 200 vatios en la fibra láser del oscilador Raman.

Los diodos de láser azul de alto brillo usados en las realizaciones de las Figuras 7-10 proporcionan suficiente fluencia para crear suficiente ganancia en el núcleo de modo único para permitir la oscilación Raman y así proporcionar un haz de láser generado por Raman. Por lo tanto, estas realizaciones presentes superan uno de los problemas clave que impiden el desarrollo de un láser Raman visible. Ese problema son las altas pérdidas en una fibra óptica en longitudes de onda visibles. Se cree que esta es una de las razones, si no la clave, por la que antes de las presentes invenciones un láser oscilador Raman visible era pasado por alto en la técnica y no ha sido demostrado ni propuesto por otros.

Las realizaciones del oscilador Raman de las presentes invenciones se pueden realizar a partir de muchos tipos diferentes de materiales. Preferiblemente, para las fibras, están basadas en sílice e incluirían fibras basadas en sílice que han sido dopadas con GeO2 o P2O5, cuyas características se muestran en la Tabla III. También se pueden usar otros metales pesados como dopantes para varios tipos de osciladores, en los que la longitud de onda operativa está cerca del borde de la banda para la absorción, lo que provoca una ganancia Raman anómala que puede ser sustancialmente más alta que las fuentes convencionales. Un ejemplo de esto para luz de 500 nm sería el vidrio dopado con telurita, en el que la ganancia Raman es casi un factor 40 veces mayor que la sílice fundida. Se pueden usar otros dopantes con resultados similares en la longitud de onda objetivo de 450 nm.

En una realización preferida, existe un revestimiento exterior de alta NA, para una fibra de doble revestimiento, siendo el revestimiento una pérdida relativamente baja en la longitud de onda de la bombeo y el núcleo que es > 3 pm,> 10 pm e incluye en algunas realizaciones > 20 pm. La relación revestimiento/núcleo se mantiene preferiblemente por debajo del umbral de autooscilación del segundo orden de Stokes. La primera ganancia de Stokes está determinada por la intensidad de la luz en el revestimiento que se acopla al núcleo, mientras que la ganancia de Stokes de segundo orden está determinada por la oscilación de Stokes de primer orden en el núcleo. Como se mencionó anteriormente, esto se convierte en un factor limitante y depende de las pérdidas en la fibra, la potencia oscilante en Stokes de primer orden, la longitud de la fibra y, por lo tanto, la ganancia total, y la retroalimentación, si la hay, en la señal de Stokes de segundo orden. En última instancia, este proceso limita la cantidad de mejora de brillo que se puede lograr con este método, que se puede abordar, por ejemplo, mediante la escalabilidad que se muestra en la Figura 18, en la que la fuente Raman requiere un método de combinación de haz de longitud de onda para lograr un alto brillo y alta potencia.

La amplificación Raman tiene un ancho de banda muy amplio que permite velocidades de modulación en el régimen de GHz. Esta rápida modulación es factible con la fuente de láser azul Raman debido a la corta duración asociada con el proceso de inversión. La capacidad de modulación rápida puede proporcionar beneficios significativos en aplicaciones de fabricación aditiva, en las que, por ejemplo, la pieza tiene una frecuencia espacial alta o detalles nítidos que deben reproducirse. Idealmente, cuanto más rápido se pueda encender y apagar el láser, más rápido se podrá imprimir la pieza. Por ejemplo, en una realización para una velocidad de escaneo dada, las frecuencias espaciales de la pieza se convierten en la limitación de la velocidad de impresión porque un láser que solo puede modularse a unos pocos kHz requiere que los escáneres se muevan a una velocidad lenta para reproducir los detalles finos y frecuencia espacial de la pieza, sin embargo, un láser que se puede modular en el régimen de las decenas de GHz, permite que la pieza se escanee rápidamente y, como consecuencia, se imprima rápidamente.

La Tabla IV muestra una comparación de la velocidad de construcción del láser de fibra con la velocidad de construcción de un láser azul de nivel de potencia equivalente. Esta tabla muestra que para un tamaño de punto dado, el láser azul puede lograr un mayor volumen de construcción y, dependiendo del material que se compara, la velocidad aumenta entre 1,2 veces (titanio) y > 80 veces (oro) en función de la absorción mejorada de la longitud de onda del láser.

Tabla IV

Volviendo a la Figura 13A se muestran las transiciones que tienen lugar a través de tres órdenes Raman, Stokes, para proporcionar un haz de láser funcional de 478 nm desde una fuente de bombeo de 450 nm.

Los ejemplos de láseres de fibra de Raman, que tienen diferentes materiales, y sus respectivas salidas de longitud de onda para cambios de Stokes de orden n, cuando se bombean con un láser de 450 nm, se muestran en las Figuras 13B y 13C. Todas estas fibras tienen un núcleo de 20 pm de diámetro y un espesor de revestimiento de 50 pm.

Volviendo a la Figura 14A se muestran las transiciones que tienen lugar a través de tres órdenes Raman, anti-Stokes, para proporcionar un haz de láser funcional de 425 nm desde una fuente de bombeo de 450 nm.

Los ejemplos de láseres de fibra de Raman, que tienen diferentes materiales, y sus respectivas salidas de longitud de onda para cambios de Stokes de orden n, cuando se bombean con un láser de 450 nm, se muestran en las Figuras 14B y 14C. Todas estas fibras tienen un núcleo de 20 pm de diámetro y un espesor de revestimiento de 50 pm.

Volviendo a la Figura 15 se muestran los espectros Raman en una fibra dopada con fosfosilicato. Las concentraciones de P2O5 en la fibra son: 18% en moles, línea 1; 7% en moles, línea 2; y para la fibra de sílice fundida sin P2O5 (por ejemplo, 0 % de nik), línea 3. Por lo tanto, la emisión de láser se puede lograr en una amplia gama de frecuencias desde unos pocos cm-1 hasta 1330 cm-1.

Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustrar varios ejemplos de sistemas de LAM, métodos de LAM y oscilador Raman. Estos ejemplos son para fines ilustrativos y no deben considerarse como, ni limitar de ninguna manera, el alcance de las presentes invenciones.

Ejemplo 1

Un módulo láser Raman (RLM) tiene un módulo láser estándar Raman de bombeo directo como el láser de bombeo a una fibra del oscilador láser Raman para proporcionar un haz de láser de 200 W, M2 de aproximadamente 1, 460 nm que se puede modular hasta 2 MHz para diversas aplicaciones de fabricación predeterminadas. El módulo láser estándar (SLM) de la bombeo proporciona un haz de láser de 200 W, 10 mm-mrad, ~450 nm que se utiliza como bombeo de avance para la fibra del oscilador láser. La fibra del oscilador tiene un revestimiento de 60-100 pm, un núcleo de 10-50 pm y proporciona una salida de 200 W, <0,3 mm-mrad, haz de láser de ~460 nm.

Ejemplo 2

Cinco RLM del Ejemplo 1 están en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 5. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 1 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 3

Cinco RLM del Ejemplo 1 están en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 6. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 1 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 4

Siete RLM del Ejemplo 1 están en la impresora 3D de la Figura 5. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 1,4 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 5

Diez RLM del Ejemplo 1 están en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 6. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 2 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 6

Un módulo láser Raman (RLM) tiene un módulo láser estándar Raman de bombeo hacia atrás como el láser de bombeo a una fibra del oscilador láser Raman para proporcionar un haz de láser de 200 W, M2 de aproximadamente 460 nm que se puede modular hasta 2 MHz para diversas aplicaciones de fabricación predeterminadas. El módulo láser estándar de la bombeo (SLM) proporciona un haz de láser de 200 W, 10 mm-mrad, ~450 nm que se utiliza como bombeo hacia atrás para la fibra del oscilador láser. La fibra del oscilador tiene un revestimiento de 60-100 pm, un núcleo de 10-50 pm y proporciona una salida de 200 W, <0,3 mm-mrad, haz de láser de ~460 nm.

Ejemplo 7

Cinco RLM del Ejemplo 6 están en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 5. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 1 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 8

Ocho RLM del Ejemplo 6 están en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 6. Sus haces se combinan para formar un solo haz de láser funcional de 1,6 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 9

Un RLM del Ejemplo 6 está en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 5. El RLM proporciona un solo haz de láser funcional de 0,2 kW. La realización de este ejemplo se puede utilizar para imprimir, por ejemplo, construir o fabricar artículos de base metálica.

Ejemplo 10

Un láser Raman de alta potencia bombeado por diodos láser azul de alto brillo con una potencia de salida de> 1 vatio en cualquier Raman de orden n a partir de la longitud de onda de la bombeo de origen.

Ejemplo 11

El uso del láser del Ejemplo 10 para aplicaciones de procesamiento de materiales tales como soldadura, corte, tratamiento térmico, soldadura fuerte y modificación de superficies.

Ejemplo 12

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia (405 nm - 475 nm) que puede lanzar > 100 Watts en una fibra> 50 |jm.

Ejemplo 13

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia con un producto de parámetro de haz> 5 mm-mrad para bombear un láser de fibra Raman.

Ejemplo 14

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia con un producto de parámetro de haz> 10 mm-mrad para bombear un láser de fibra Raman.

Ejemplo 15

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia que bombea un láser de fibra Raman de orden n para lograr cualquier longitud de onda visible.

Ejemplo 16

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia que bombea un láser de fibra Raman con salidas en todos los órdenes n, en el que n> 0.

Ejemplo 17

Un sistema de láser Raman de alta potencia con una calidad de haz de 2> M2 > 1.

Ejemplo 18

Un sistema de láser Raman de alta potencia con> 1 vatio operando a 410-500 nm que se puede usar para procesar materiales.

Ejemplo 19

Un sistema de láser Raman azul de alta potencia con> 1000 Watts para cortar, soldar, soldadura fuerte, pulir y marcar materiales.

Ejemplo 20

Un sistema de láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios con un sistema de bombeo de diodo de alta potencia que es de diseño modular.

Ejemplo 21

Un sistema de láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios que tiene una bomba láser de diodo azul refrigerada por aire.

Ejemplo 22

Un sistema de láser de diodo azul de alta potencia que se combina espectralmente para producir un haz compuesto de <10 nm que puede usarse para bombear un sistema de láser Raman de alta potencia.

Ejemplo 23

Un sistema de láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios que se combina espectralmente para producir un haz compuesto con un valor de M2 bajo, por ejemplo, menor de 2,5, menor de 2,0, menor de 1,8 y menor de 1,5, y menor de 1,2.

Ejemplo 24

Un sistema de amplificador y láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios que se combina coherentemente para producir un haz limitado por difracción de muy alta potencia.

Ejemplo 25

Un sistema de láser de diodo azul de alta potencia del Ejemplo 23 que usa un prisma para combinar espectralmente el haz.

Ejemplo 26

Una bomba de láser Raman de láser de diodo azul de alta potencia del Ejemplo 23 que utiliza un elemento difractivo para combinar espectralmente el haz.

Ejemplo 27

Una bomba de láser Raman láser de diodo azul de alta potencia del Ejemplo 23 que usa una rejilla de volumen de Bragg para combinar espectralmente el haz.

Ejemplo 28

Un láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios para combinación con un dispositivo de espejo digital para proyectar una imagen en color que incluye capacidad 3D.

Ejemplo 29

Un láser Raman azul de alta potencia con> 10 vatios para fines de entretenimiento.

Ejemplo 30

Un láser Raman azul de alta potencia> 10 vatios para bombear fósforo para producir una fuente de luz blanca que puede usarse en sistemas de proyección, faros o sistemas de iluminación.

Ejemplo 31

Una matriz de módulos de diodos láser azul de alta potencia bloqueados en una banda de longitud de onda estrecha mediante una rejilla de volumen de Bragg para bombear un sistema láser de fibra Raman.

Ejemplo 32

Una matriz de módulos de diodo láser azul de alta potencia bloqueados en una banda de longitud de onda estrecha mediante una rejilla de fibra de Bragg para bombear un sistema de láser de fibra Raman.

Ejemplo 33

Una matriz de módulos de diodos láser azul de alta potencia bloqueados en una banda de longitud de onda estrecha mediante una rejilla transmisiva para bombear un láser de fibra Raman.

Ejemplo 34

Una matriz de módulos de diodos láser azul de alta potencia bloqueados en un intervalo de longitudes de onda por una rejilla transmisiva para bombear un láser Raman de orden n.

Ejemplo 35

Un intercambiador de calor enfriado por aire o por agua unido al plano posterior para disipar el calor de los módulos de diodos láser y un láser de fibra Raman.

Ejemplo 36

Un módulo de diodo láser con electrónica de accionamiento integral para controlar la corriente y permitir la pulsación rápida del diodo láser para bombear un láser Raman.

Ejemplo 37

Un láser Raman de alta potencia basado en un material convertidor tal como diamante, en el que el láser Raman es bombeado por una matriz de diodos láser visible que se adapta al modo del láser Raman.

Ejemplo 38

El uso del láser en el Ejemplo 37 para el procesamiento de materiales tales como soldadura, corte, soldadura fuerte, tratamiento térmico y modificación de superficies.

Ejemplo 39

La velocidad de construcción de un láser de UV (350 nm) se compara con la velocidad de construcción de un láser de fibra IR de la técnica anterior (1070 nm). De la Tabla IV anterior, se puede ver que se pueden obtener velocidades de construcción significativamente mayores.

Ejemplo 40

Los Ejemplos 1-8 pueden combinarse con, o bien incorporarse en una máquina fresadora, tal como una máquina CNC, o láser, sónica, chorro de agua, mecánica u otro tipo de aparato de fresado, mecanizado o corte. De esta manera, existe un proceso y aparato de fabricación aditivo-sustractivo Raman. En una realización, el haz del láser Raman funcional puede usarse para construir un artículo, que luego se mecaniza adicionalmente, es decir, se elimina el material. El haz de láser Raman se puede utilizar para agregar material perdido a un artículo desgastado que se mecaniza adicionalmente. Se contemplan otras variaciones y combinaciones de adición, eliminación y adición de material para alcanzar un producto, pieza o artículo final. Por lo tanto, en una realización se proporciona la eliminación del material añadido del haz del láser Raman. En un proceso y aparato aditivo-sustractivo de mecanizado por láser, el láser utilizado para la eliminación (por ejemplo, fabricación sustractiva, el haz del láser de corte, el haz del láser de mecanizado), puede ser un haz generado por Raman, el haz funcional de LAM o un haz separado que tiene una longitud de onda diferente (por ejemplo, IR, tal como una longitud de onda> 1000 nm), el haz del láser de corte y el haz funcional del láser (haz de lA m ) pueden seguir esencialmente las mismas trayectorias de emisión de haz, pueden seguir trayectorias de emisión de haz sustancialmente distintas y pueden compartir, algunas, todas o ninguna de las ópticas de distribución y conformación del haz, y combinaciones y variaciones de éstas.

Ejemplo 41

Las realizaciones de los ejemplos 1-8 tienen una mesa que es una superficie que se mueve longitudinalmente, o una estructura de soporte, tal como una cinta, transportador u hojas articuladas y superpuestas, que permiten la fabricación de cintas, varillas, fibras, cuerda, alambre, tubo, banda u otras estructuras alargadas.

Ejemplo 42

Las realizaciones de los Ejemplos 1 y 6 se utilizan en el sistema de fabricación aditiva de la Figura 17. El sistema 1700 tiene una tolva 1701 para contener el material de partida, una placa 1702 de medición ajustable para suministrar el material de partida, una estación 1703 de trabajo, una cámara 1704 de transporte, un pasador 1705 de accionamiento de la placa de medición, una lanzadera 1711, una lanzadera 1706 de cremallera y piñón impulsor, un motor 1707 por etapas de lanzadera, un contenedor 1708 de residuos, un motor 1709 elevador por etapas y un elevador 1710.

Ejemplo 43

Un sistema de LAM es un proceso y sistema de lecho en polvo escaneado por galvanómetro. El aparato de suministro de láser tiene un colimador/expansor del haz para el haz del láser y un sistema de escaneo por galvanómetro X-Y, y una lente F-Theta. El colimador/expansor de haz puede ser de relación fija o variable dependiendo del proceso de construcción, si se necesita un tamaño de punto mayor, la relación del expansor de haz se reduce. De manera similar, si se necesita un tamaño de punto más pequeño en la pieza, entonces la relación del expansor del haz se incrementa para crear un haz de lanzamiento de mayor diámetro. El polvo se coloca con un sistema de suministro de material de partida en la mesa de trabajo y se nivela con un mecanismo de nivelación. En esta realización, el movimiento de la mesa solo es necesario en el eje z. También podría utilizarse una lente de enfoque variable en la trayectoria del haz del láser para realizar el movimiento del eje z.

Ejemplo 44

Un sistema de diodo láser azul de alta potencia con un producto de parámetro de haz> 10 mm-mrad que se puede utilizar para soldar, cortar, soldadura fuerte, pulir y marcar materiales tales como metales, plásticos y materiales no metálicos.

Ejemplo 45

Los RLM se combinan coherentemente usando una configuración de amplificador de potencia de oscilador maestro o una cavidad externa de transformada de Fourier. En la patente de los Estados Unidos No. 5.832.006 se describen y enseñan ejemplos de sistemas para la combinación de haces coherentes.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Un aparato (500) de fabricación aditiva por láser, LAM, que comprende:

a. un láser configurado para proporcionar un haz (608) funcional de láser a lo largo de una trayectoria del haz, teniendo el haz funcional del láser una longitud de onda en el intervalo de 400 nm o 500 nm; en el que el láser comprende un diodo láser de bombeo y una fibra de oscilador Raman bombeada por el diodo láser de bombeo; en el que el diodo láser de bombeo tiene una longitud de onda azul en el intervalo de 405 nm a 495 nm o una longitud de onda inferior a 500 nm; y teniendo el haz funcional de láser un M2 inferior a 2 y una potencia superior a 500 W;

b. una mesa (601) de construcción;

c. un material de partida y un aparato (604) de suministro de material de partida, en el que el material de partida se puede suministrar a un área objetivo adyacente a la mesa de construcción;

d. un aparato (614) de suministro del haz de láser, que comprende una óptica (607) de conformación del haz para proporcionar un haz funcional de láser y formar un punto de haz de láser;

e. un motor y un aparato (602) de posicionamiento, conectados mecánicamente a la mesa de construcción, el aparato de suministro de haz de láser, o ambos; por lo que el motor y el aparato de posicionamiento son capaces de proporcionar un movimiento relativo entre el aparato de suministro de haz de láser y la mesa de construcción; y, f. un sistema (502) de control, comprendiendo el sistema de control un procesador, un dispositivo de memoria y un plan de LAM, en el que el sistema de control es capaz de implementar el plan de LAM mediante la colocación predeterminada del haz funcional de láser y el material de partida.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que el láser comprende un diodo láser de bombeo y un oscilador Raman que están configurados para proporcionar una oscilación Raman de orden n, en la que n es un número entero, preferiblemente seleccionado del grupo que consiste en 2, 3, 4, 5 y 6.

3. El aparato de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la oscilación de orden n es Stokes o anti-Stokes.