ES2960786T3 - Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva - Google Patents

Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva Download PDF

Info

Publication number
ES2960786T3
ES2960786T3 ES19755677T ES19755677T ES2960786T3 ES 2960786 T3 ES2960786 T3 ES 2960786T3 ES 19755677 T ES19755677 T ES 19755677T ES 19755677 T ES19755677 T ES 19755677T ES 2960786 T3 ES2960786 T3 ES 2960786T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
doped
absorbed
energy beam
control system
media
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES19755677T
Other languages
English (en)
Inventor
Hencharl Strauss
Darryl Naidoo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Original Assignee
Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Council for Scientific and Industrial Research CSIR filed Critical Council for Scientific and Industrial Research CSIR
Application granted granted Critical
Publication of ES2960786T3 publication Critical patent/ES2960786T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/31—Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80—Data acquisition or data processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80—Data acquisition or data processing
    • B22F10/85—Data acquisition or data processing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/49—Scanners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/705—Beam measuring device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B17/00—Details of, or accessories for, apparatus for shaping the material; Auxiliary measures taken in connection with such shaping
    • B28B17/0063—Control arrangements
    • B28B17/0081—Process control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/028—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on thermo-optic effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/21—Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Abstract

Un sistema de control para el control termoóptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva tiene un primer medio dopado y un segundo medio dopado, cada uno de los cuales es ópticamente transparente y está dopado con un dopante. El primer medio dopado tiene un coeficiente termoóptico positivo (dn/dT) y el segundo medio dopado tiene un coeficiente termoóptico negativo (dn/dT) y está en serie con el primer medio dopado. Una entrada o acoplamiento de haz de energía está configurado para generar o recibir un haz de energía que se requiere controlar, estando el haz de energía dentro de un primer rango de longitud de onda y dirigido hacia el primer y segundo medio dopado. Una entrada o acoplamiento de haz absorbido está configurado para generar o recibir al menos un haz absorbido en un segundo rango de longitud de onda que es diferente del primer rango de longitud de onda, estando dirigido el haz absorbido hacia el primer y segundo medio dopado. El primer y segundo medio dopado tienen una característica de absorción de haz mayor en el segundo rango de longitud de onda que en el primer rango de longitud de onda, provocando que el haz absorbido tenga una mayor absorción que el haz de energía en el primer y segundo medio dopado y en el primer y segundo medio dopado. Cada uno de los medios tiene un recubrimiento que permite la transmisión tanto en el primer como en el segundo rango de longitud de onda. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva
Campo de la invención
La invención se refiere a un sistema de control para controlar un haz de energía en un aparato de fabricación por láser. Más particularmente, esta invención se refiere a la fabricación aditiva o fabricación por láser que emplea un láser de alta velocidad, nivel de potencia de kilovatios, sistema de escáner. La invención también se refiere a un aparato de fabricación aditiva.
Antecedentes de la invención
Hay muchos procesos láser que requieren un láser de kilovatios de alta potencia. Los parámetros estables del haz, como el tamaño y la potencia de salida, son especialmente importantes para la fabricación aditiva (AM). La AM se utilizará como la principal aplicación de esta tecnología, aunque también podrá utilizarse en otras aplicaciones tales como el corte por láser, la soldadura, etc.
La fabricación aditiva (AM) se refiere a diversos procesos utilizados para sintetizar un objeto tridimensional (en la presente memoria descriptiva y en lo que sigue denominado simplemente "objeto" o "pieza"). Algunas técnicas de AM se denominan a veces "impresión en 3D". El solicitante se remite a sus solicitudes PCT anteriores, es decir PCT/IB2017/057992, PCT/IB2017/057991 y PCT/IB2018/054497, para conocer los antecedentes a este respecto. En la AM, las piezas se fabrican normalmente cortando digitalmente un modelo tridimensional de diseño asistido por ordenador (CAD) en capas o imágenes bidimensionales. A continuación, estas capas se fabrican por medio de cura do, consolidación, fusión, sinterización o de otro modo a partir de una materia prima, normalmente en forma de polvo o fluido. Por conveniencia, en la presente memoria descriptiva y en lo que sigue se utilizarán los términos "consoli dar" o simplemente "formar" para referirse a la formación de tales capas, con independencia de la manera específica en que se formen las capas.
Las piezas pueden fabricarse a partir de diversas materias primas, tales como metales, polímeros, cerámica, resinas y yeso. Además, se utilizan diversas técnicas para consolidar las capas, incluyendo láseres, haces de electrones, otros haces de alta energía, aglutinantes y módulos térmicos.
De acuerdo con la experiencia del Solicitante, la AM proporciona una serie de ventajas sobre los procedimientos de fabricación tradicionales. Estas ventajas incluyen la capacidad de fabricar piezas muy complejas, lo que permite reducir el peso, integrar más funciones en las piezas y reducir el número de piezas. El proceso garantiza un desper dicio de material relativamente bajo gracias a la reutilización de la materia prima, además de la libertad en el diseño de las piezas y la supresión de la necesidad de utillaje.
Un cierto número de procesos de AM emplean un láser para consolidar el material en capas sobre un lecho de mate rial para formar finalmente la pieza deseada. Tales procesos se denominarán en lo sucesivo "procesos de fusión en lecho de polvo". En los procesos de fusión en lecho de polvo, un haz láser se dirige normalmente mediante una serie de componentes ópticos a una unidad de escaneado. A continuación, el haz láser (en la presente memoria descripti va y en lo que sigue, se denominará como haz de energía) se escanea a través de la superficie del lecho de polvo y se conecta y se desconecta en base a la geometría de un modelo CAD para garantizar que las capas deseadas se consoliden de la forma correcta.
El lecho de material está soportado sobre una plataforma de construcción que se baja incrementalmente a medida que se consolida cada nueva capa del objeto. Después de bajar el lecho, se añade una nueva capa de material al lecho de material antes de consolidar la siguiente capa.
El haz de energía se desplaza a lo largo de una trayectoria óptica desde su fuente de energía (por ejemplo, un láser) para por último alcanzar una superficie del lecho de material. Este trayecto óptico puede incluir una serie de compo nentes ópticos diferentes, tales como un sistema de lentes colimadoras, espejos, lentes esféricas, lentes de enfoque plano, ventanas y espejos de escaneado. Todos estos factores contribuyen a la formación de lentes térmicas que alteran el tamaño del haz láser en el lecho de polvo.
El Solicitante ha descubierto que es importante mantener una densidad de potencia y un tamaño de punto constan tes en la superficie del lecho de material (dentro de ciertas tolerancias) en un aparato de AM para garantizar que se fabriquen piezas de alta calidad que conduzcan a un proceso con alta repetibilidad.
Los materiales de los que están hechos los componentes ópticos, tales como la sílice fundida, el zafiro y otros vi drios y cristales ópticos, pueden absorber y/o dispersar parte de la radiación del haz de energía a medida que es transmitido a través de los mismos. Lo mismo ocurre con los revestimientos antirreflectantes (AR) de los componen tes, que son una fina capa depositada sobre la superficie del componente. La absorción calienta los propios compo nentes ópticos, lo que provoca un fenómeno conocido como "lente térmica".
La lente térmica puede causar cambios en las propiedades de enfoque de un componente óptico afectado, es decir, añadir un desplazamiento de enfoque y/o un deterioro del frente de onda del haz de energía transmitido como resul tado de aberraciones ópticas. En términos generales, la lente térmica se refiere al perfil de cambio de fase, en su mayor parte cuadrático, en el interior de elementos ópticos transmisivos causado por un perfil de temperatura en su interior (casi siempre calentamiento). Este problema se agrava en los sistemas láser AM de alta potencia.
Las lentes térmicas pueden comprometer la eficacia de los procesos de AM. Si una pieza debe fabricarse de acuer do con determinadas tolerancias, trabajar fuera de estas tolerancias conduce a inestabilidades estructurales en las piezas fabricadas e impide la repetibilidad en el proceso.
Los Inventores tienen conocimiento de técnicas que se han desarrollado para abordar algunos de los problemas asociados con la lente térmica utilizando lentes móviles y espejos deformables, como se describe en la solicitud PCT PCT/IB2018/054497.
Sin embargo, estos procedimientos presentan una serie de deficiencias. Los espejos deformables tienen una poten cia limitada, son caros y algunos requieren complicadas configuraciones de medición y calibración. La técnica des crita en el documento PCT/IB2018/054497 también puede no ser adecuada para sistemas de entrega óptica com pactos.
El Solicitante también tiene conocimiento del documento EP3067132 que puede divulgar uno o más de: [reivindica ciones 8-11, par 0038, par. 0012-0014, resumen] un sistema de control para el control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva, incluyendo el sistema de control : un haz de energía que está dentro de un primer rango de longitudes de onda [par 0038, par 0030: "una fuente de radiación, en particular una fuente láser que puede comprender, por ejemplo, un diodo de iterbio bombeado por diodo"]; una uni dad de control configurada para controlar la entrada o el acoplamiento del haz de energía, controlando de esta ma nera una intensidad del haz de energía. [par 0038, reivindicaciones 8-11].
El Solicitante también tiene conocimiento de los documentos MUZAMMIL A. ARAIN ET AL: "Adaptive beam shaping by controlled thermal lensing in optical elements (Conformación de haz adaptativa mediante lentes térmicas contro ladas en elementos ópticos)", ApPLIED OPTICS, vol. 46, n° 12, 20 de abril de 2007 (2007-04-20), página 2153, XP055630772, WASHINGTON, DC; US ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/A0.46.002153 (D2). Esta memoria descrip tiva puede divulgar una o más de: las características distintivas de utilizar un láser de calentamiento adicional para controlar la longitud focal del haz principal calentando los medios ópticos con el citado haz de calentamiento auxiliar.
[página 2153, c2: "El ROC de estos elementos puede modificarse calentándolos con un haz de bombeo o un haz de calentamiento junto con la sonda o el haz original", página 2158-c.2, figura 7]. Puede desvelar además la necesidad de un coeficiente termo-óptico positivo y un coeficiente termo-óptico negativo (dn/dT) para lograr el citado control [página 2159, c.1: "Un sistema verdaderamente adaptativo requerirá lentes positivas y negativas sintonizables"], y la característica bien conocida de incluir un revestimiento para la transmisión en las lentes.[figura 7, figura 1, página 2154, c.1] también puede desvelar la característica de una mayor absorción del haz de calentamiento en los medios, que es necesaria para calentar los medios con el haz de calentamiento y producir de esta manera la compensación de lente térmica deseada.
Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema y un procedimiento baratos y compactos que permitan corregir o compensar los efectos de la lente térmica en los componentes ópticos de un sistema de suministro óptico compacto de un aparato de AM.
El Solicitante propone ajustar o compensar rápidamente la lente térmica de los haces láser de alta potencia con perfiles de cambio de fase termo-ópticos específicamente adaptados y ajustables en materiales ópticos específica mente dopados y revestidos.
El solicitante propone un dispositivo que ajusta el radio de curvatura con el fin de compensar las lentes térmicas en otras partes del sistema.
Resumen de la invención
La invención se define en la reivindicación independiente adjunta
1. 1. Las realizaciones de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.
En consecuencia, la invención proporciona un sistema de control para el control termo-óptico de la posición de enfo que de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva, incluyendo el sistema de control :
un primer medio dopado y un segundo medio dopado, cada uno de los cuales está dopado con un dopante, en el que:
el primer medio dopado tiene un coeficiente termo-óptico positivo (dn/dT), por lo que está configurado para actuar como una lente positiva controlable (convergente); y
el segundo medio dopado tiene un coeficiente termoóptico negativo (dn/dT), por lo que está configurado pa ra actuar como una lente negativa (divergente) controlable, y está en serie con el primer medio dopado; una entrada de haz de energía configurada para generar, o un acoplamiento de haz de energía configurado pa ra recibir, un haz de energía que se requiere controlar, estando el haz de energía dentro de una primera gama de longitudes de onda y dirigido hacia los medios primero y segundo dopados; y
una pluralidad de entradas de haces absorbidos configuradas para generar, o una pluralidad de acopla mientos de haces absorbidos configurados para recibir, haces absorbidos respectivos en una segunda ga ma de longitudes de onda que es diferente de la primera gama de longitudes de onda, siendo los haces ab sorbidos paralelos unos a los otros y estando dirigidos hacia los medios primero y segundo dopados; y una unidad de control configurada para controlar (i) la entrada o el acoplamiento del haz de energía y (ii) las entradas o acoplamientos del haz absorbido, controlando de esta manera una intensidad del haz de ener gía y de los haces absorbidos,
en el que los medios primero y segundo dopados tienen una característica de absorción del haz mayor en la segunda gama de longitudes de onda que en la primera gama de longitudes de onda, lo que hace que los haces absorbidos tengan una absorción mayor que el haz de energía en los medios primero y segundo dopados y en el que los medios primero y segundo dopados son ópticamente transparentes en la primera gama de longitudes de onda,
y en el que los medios primero y segundo dopados tienen cada uno un revestimiento que permite la trans misión tanto en la primera como en la segunda gama de longitudes de onda.
En resumen, el haz o haces absorbidos provocan un enfoque y/o desenfoque controlable del haz de energía, contro lando o compensando de esta manera la lente térmica en otras partes del sistema.
La entrada del haz de energía puede ser cualquier fuente/sistema láser que requiera, o pueda requerir intermitente mente, que su haz sea compensado o controlado, incluyendo tales sistemas láseres de fibra, láseres de estado sólido bombeados por diodos, láseres de diodo, etc.
La entrada del haz de energía puede ser un haz de alta potencia, del orden de vatios, kilovatios o superior. La entra da del haz de energía puede utilizarse en aplicaciones de procesamiento de materiales por láser, como la fabrica ción aditiva, el revestimiento por láser, la soldadura por láser, el corte por láser, etc., para aplicaciones de energía dirigida, así como para comunicaciones de alta potencia y aplicaciones de grabación lidar..
El término "haz de energía" puede referirse al haz de energía antes, dentro o después de los medios primero y se gundo dopados.
De manera similar, el término "haz absorbido" puede referirse al haz absorbido antes, dentro o después de los me dios primero y segundo dopados. La entrada del haz absorbido puede proceder de un láser de bajo coste o de una pluralidad de láseres de bajo coste capaces de suministrar potencias medias variables, como los láseres de diodo, los láseres de diodo acoplados a fibra de suministro u otros láseres de diodo homogeneizados. El haz absorbido puede tener un perfil plano o un perfil más gaussiano (en forma de campana) o incluso triangular, etc. Tales perfiles de haz pueden generarse fácilmente obteniendo imágenes de varios planos de la salida de diodos láser multimodo acoplados a fibra.
[La entrada del haz absorbido puede proporcionarse en paralelo a la entrada del haz de energía transmitida. La entrada del haz absorbido también puede estar provista de un desplazamiento angular (es decir, no paralelo) con respecto a la entrada del haz de energía transmitida.
El dispositivo puede incluir un componente de guiado del haz para guiar la entrada del haz de energía transmitida y la entrada del haz absorbido. El componente de guiado del haz puede ser un espejo dicroico o un divisor de haz. Se trata de redirigir el haz de energía en 90° y transmitir los haces absorbentes, o viceversa.
La absorción de al menos uno de los haces absorbidos se convierte en calor y causará un gradiente de temperatura dentro de los medios primero y segundo dopados. El perfil de temperatura en el interior del material induce una va riación del perfil del índice de refracción cuya magnitud depende principalmente del coeficiente o coeficientes termoópticos (dn/dT) del material. Esto da lugar a la formación de un perfil de cambio de fase óptica dentro del medio dopado.
En general, el perfil de cambio de fase termo-óptico puede modificar el radio de curvatura de un haz de energía transmitido y/o añadirle aberración esférica. El término "modificar" el haz de energía significa transformar su fase por medio de un perfil de cambio de fase mayoritariamente cuadrático inducido termo-ópticamente dentro del medio óptico dopado.
El perfil de cambio de fase térmico controlado compensa la lente térmica en otras partes del sistema cambiando el radio de curvatura del haz de energía y/o añadiendo aberración esférica de magnitud opuesta a la presente en otras partes del sistema.
El haz de energía es enfocado, colimado, dirigido, etc. por elementos ópticos dedicados a su plano de aplicación final. Los medios dopados primero y segundo sólo pueden utilizarse para compensar la lente térmica del sistema. El tipo o alcance del perfil de cambio de fase termoóptica en los medios primero y segundo dopados, inducido por el haz o haces absorbidos por la bomba, puede depender de:
• tamaño absoluto e intensidad del haz o haces absorbidos y del haz de energía transmitido;
• intensidad relativa del haz absorbido y del haz de energía;
• disposición de refrigeración/calefacción del medio óptico dopado;
• tamaño relativo del haz o haces absorbidos y del haz de energía transmitida unos a los otros y con respecto a las superficies de refrigeración/calentamiento del medio óptico dopado;
• posición de los haces de energía absorbida y transmitida unos a los otros y con respecto a las superficies de enfriamiento/calentamiento del medio óptico dopado;
• perfil de intensidad del haz o haces absorbidos;
• tipo de medio óptico dopado (especialmente su coeficiente dn/dT).
Si las aberraciones esféricas no son dominantes en la lente térmica en otras partes del sistema, los haces absorbi dos tienen una forma superior plana y el perfil de cambio de fase termo-óptico es cuadrático sobre la extensión del haz de energía, siendo el de una lente esférica variable que compensa un desplazamiento del foco del haz. Una transformación de fase de este tipo sólo se obtiene si:
• El perfil de intensidad de la entrada del haz absorbido en un medio dopado es circular y tiene una distribu ción de intensidad constante dentro del área circular (plano circular).
• La entrada del haz de energía es menor que la entrada del haz absorbido. Es necesario que más del 99% de la energía del haz de entrada se transmita dentro del límite del diámetro circular del haz de entrada ab sorbido.
• El material dopado consiste en un material base que es efectivamente isótropo en direcciones ortogonales a la dirección de propagación de la entrada del haz de energía.
• Las entradas de energía y de haz absorbido están centradas unas a las otras y respecto a las superficies de refrigeración del medio.
Si la aberración esférica es significativa en la lente térmica presente en otras partes del sistema de entrega óptica, la forma del haz absorbido puede variarse para introducir aberración esférica de magnitud opuesta a la de otras partes del sistema, compensándolas de esta manera.
La entrada del haz de energía puede ser de mayor potencia, incluso de un orden de magnitud o más, que la entrada del haz absorbido. Una ventaja de esto puede ser que una entrada de haz absorbido de relativamente baja potencia y bajo coste puede utilizarse para controlar una entrada de haz de energía de potencia relativamente alta.
El medio dopado puede tener un coeficiente o coeficientes termo-ópticos positivos (dn/dT). Dicho medio dopado puede ser vidrio de silicato dopado, vanadato (VO<4>) o Granate de Itrio y Aluminio (YAG), etc. Para un coeficiente termoóptico positivo, el medio dopado puede actuar como una lente positiva controlable (convergente).
El medio dopado puede tener un coeficiente o coeficientes termo-ópticos negativos (dn/dT). Un medio dopado de este tipo puede comprender fluoruro de litio e itrio (YLF) o fluoruro de calcio (CaF<2>) dopados, etc. Para un coeficiente termoóptico negativo, el medio dopado puede actuar como una lente negativa controlable (divergente).
Ambos tipos de medios pueden estar dopados con Nd, Yb, Tm, Er, etc., denominados dopantes. La función del dopante es absorber selectivamente sólo las entradas de haz absorbidas en una gama de longitudes de onda selec cionada.
Se pueden utilizar como medio materiales ópticos comúnmente utilizados como materiales de base para materiales de ganancia láser (por ejemplo, un medio de ganancia cristalino o de vidrio).
[Se hace notar que en la presente configuración, el medio dopado puede no contribuir significativamente a la ganan cia en la primera o segunda longitud de onda de las entradas del haz absorbido o de energía. Aunque los dopantes enumerados como ejemplos se utilizan tradicionalmente en medios de ganancia, no cumplen esta función para la presente invención. El dopante puede ser simplemente para ayudar a la absorción y una zona calentada controlada resultante dentro de un material óptico (s) que es transparente a la gama de longitud de onda de la entrada del haz de energía transmitida. Por ejemplo, la entrada del haz de energía transmitida puede tener una longitud de onda de 1 |jm y la entrada del haz absorbido puede tener una longitud de onda de 792 nm. El dopante puede ser Th (tulio) y el medio puede ser CaF<2>. Esta selección de componentes compensará la lente térmica convergente más común en otras partes del sistema de suministro óptico mediante una lente divergente controlable en el medio dopado.
También se pueden utilizar materiales que no sean dopantes de ganancia láser tradicionales. Por ejemplo, estos materiales pueden diseñarse para que absorban de forma óptima la luz de los diodos de bajo coste, tengan una absorción muy baja en las longitudes de onda de los haces de energía y posean una alta conductividad térmica. El medio dopado puede no absorber la entrada del haz de energía. Esto puede significar que el 99,9%, alternativa mente, el 99%, alternativamente el 95%, y alternativamente el 90%, del haz de energía transmitido no es absorbido. Puede haber pequeñas pérdidas de la entrada del haz de energía que, a efectos de esta memoria descriptiva, no constituye absorbancia. Sin embargo, la entrada del haz absorbido se absorbe, al menos parcialmente, en el medio dopado.
Se observará que en la presente configuración, un medio no dopado puede no absorber significativamente ni la primera ni la segunda longitudes de onda de las entradas de haz absorbidas o de energía y, por lo tanto, no se con siderará para la compensación térmica activa de la lente.
Para reducir pérdidas, el medio dopado puede estar recubierto con una capa de material que hace que el medio dopado sea Antirreflectante (AR), por lo que las pérdidas por reflexión pueden reducirse principalmente para el ran go de longitud de onda de entrada del haz de energía, y en menor medida para el rango de longitud de onda de entrada del haz absorbido. Esto puede significar que el 99,9%, alternativamente, el 99%, alternativamente el 95%, y alternativamente el 90%, de la energía y las entradas de haz absorbidas no se reflejan en las superficies del medio dopado.
[Si se requiere un rápido control térmico de la lente, es importante que se seleccione un medio o medios dopados que tengan una elevada conductividad térmica.
Un medio dopado eficiente y eficaz puede tener las siguientes propiedades:
• Alta transmisión óptica y muy poca absorción y/o ganancia de la entrada del haz de energía;
• Absorción controlable de la entrada del haz absorbido por medio de la concentración de dopaje;
• Un alto porcentaje de conversión de la energía óptica de entrada del haz absorbido en energía térmica; • Una elevada conductividad térmica;
• Bajas pérdidas por reflexión del haz de energía y de las entradas absorbidas;
• Umbrales de daño elevados para acomodar entradas de haces de energía de muy alta potencia/energía transmitida; y
• Un coeficiente(s) termo-óptico(s) elevado(s) (dn/dT).
Todas estas propiedades juntas pueden definir una nueva clase de material óptico (materiales de conformación termo-óptica) que es diferente de los materiales de ganancia láser convencionales. Estos materiales deben fabricar se especialmente y aún no están disponibles en el mercado como artículos de stock.
Se propone un dispositivo con capacidades tanto de enfoque como de desenfoque y que podría actuar como un telescopio para ajustes finos. Consiste en dos materiales dopados colocados en serie (véase la figura 2), uno con coeficiente dn/dT negativo y otro con coeficiente dn/dT positivo. Ambos materiales tienen un máximo de dos haces absorbidos que inciden sobre ellos en la configuración mostrada en la figura 2. La gama de longitudes de onda de una de las entradas de haz absorbidas podría ser tal que no se absorba en al menos uno de los materiales dopados, pero aún se encuentre en la segunda gama de longitudes de onda de forma que se refleje en el espejo de acopla miento de 45 grados. Como alternativa, puede emplearse un segundo espejo de acoplamiento de 45 grados.
El dispositivo también podría consistir en un subconjunto de estos componentes que le darían una funcionalidad limitada dependiendo del requisito del usuario.
El sistema láser puede incluir un controlador configurado para controlar la entrada del haz absorbido, controlando de esta manera la potencia de entrada del haz absorbido. Esto puede hacerse en la medida en la que el perfil de cam bio de fase termoóptico dependa de la entrada del haz absorbido y el perfil de cambio de fase termoóptico pueda ajustarse o controlarse ajustando o controlando la entrada del haz absorbido.
El sistema de control puede incluir:
al menos un sensor de haz configurado para supervisar al menos una propiedad del haz de energía dirigido sobre una superficie de trabajo mediante una disposición óptica;
la unidad de control en comunicación electrónica con el sensor de haces, estando configurada la unidad de control para recibir del sensor, un valor asociado con al menos una propiedad supervisada;
analizar el valor recibido o un valor recibido procesado para determinar si el valor recibido o el valor recibido procesado es igual a un valor predefinido o se encuentra dentro de un intervalo de valores predefinido; y si el valor recibido o el valor recibido procesado no es igual al valor predefinido o no se encuentra dentro del intervalo de valores predefinido, provocar el ajuste de al menos un parámetro variable asociado al haz de energía.
La unidad de control puede utilizar una tabla de consulta en lugar de la entrada de un sensor de monitorización. El sensor puede estar configurado para monitorizar al menos una propiedad en o cerca de un punto de monitoriza ción a lo largo de una trayectoria óptica del haz de energía. El punto de control puede estar situado entre una fuente de energía y una unidad de exploración de la disposición óptica.
Alternativa o adicionalmente, el sensor puede estar configurado para monitorizar al menos una propiedad en o cerca de una zona de enfoque en el plano de trabajo o en un plano conjugado. El sensor puede estar configurado para controlar el tamaño del punto de entrada del haz de energía y/o el tamaño y la forma de un baño de fusión (el área consolidada). El sensor o el sistema pueden incluir uno o más componentes de detección, un divisor de haz, una lente de enfoque, filtros y otros componentes ópticos. El componente de detección puede incluir una cámara o escá neres de hendidura. El componente de detección puede incluir una cámara "analizadora de la cintura del haz" confi gurada para supervisar una pluralidad de cortes axialmente separados del diámetro del haz. Al menos una propie dad del haz de energía puede incluir uno o más de los siguientes: tamaño del punto del haz, perfil espacial, densidad de potencia, ubicación del foco, tamaño de la cintura del haz, posición del haz, divergencia, calidad del haz (valor de M2) y frente de onda.
Los valores recibidos pueden ser valores de la propiedad de la entrada del haz de energía y los valores recibidos procesados pueden ser valores de lente térmica. En tales casos, el valor predefinido o el intervalo predefinido de valores pueden ser valores de lente térmica. La unidad de control puede estar configurada para procesar el valor recibido para obtener el valor recibido procesado.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describirá a continuación con más detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos que se acompañan.
En los dibujos:
lafigura 1ilustra una vista lateral esquemática de una primera realización de un sistema láser de acuerdo con la invención;
lafigura 2ilustra un sistema de control que puede formar parte del sistema láser de la figura 1;
lafigura 3ilustra un sistema de fabricación aditiva que incorpora el sistema láser de la figura 1; y lafigura 4ilustra una vista lateral esquemática de una segunda realización de un sistema láser de acuerdo con la invención.
Descripción detallada con referencia a los dibujos
La siguiente descripción de la invención se proporciona como una enseñanza habilitante de la invención. Los exper tos en la materia reconocerán que se pueden introducir muchos cambios en las realizaciones descritas, sin dejar de obtener los resultados beneficiosos de la presente invención. También será evidente que algunos de los beneficios deseados de la presente invención se pueden lograr mediante la selección de algunas de las características de la presente invención sin utilizar otras características. Por consiguiente, los expertos en la materia reconocerán que las modificaciones y adaptaciones de la presente invención son posibles e incluso pueden ser deseables en determina das circunstancias, y forman parte de la presente invención. Por lo tanto, la siguiente descripción se proporciona como ilustrativa de los principios de la presente invención y no como una limitación de la misma.
La figura 1 ilustra una primera realización de un sistema láser 100 de acuerdo con la invención. El sistema láser 100 tiene dos medios ópticamente transparentes 102, 103 que están dopados con un dopante (en lo sucesivo denomi nados primer medio dopado 102 y segundo medio dopado 103). Los medios 102, 103 son medios cristalinos o de vidrio pero que no funcionan como medios de ganancia - en otros casos (de acuerdo con las técnicas del estado de la técnica), el mismo tipo de medio dopado podría utilizarse como medio de ganancia en un amplificador láser con vencional, con diferentes revestimientos antirreflectantes en las superficies del medio.
Se pueden proporcionar elementos de calentamiento o enfriamiento 116 en o cerca de los medios dopados 102, 103 (por ejemplo, en los lados de los medios dopados 102, 103) para proporcionar características adicionales de calen tamiento o enfriamiento.
El sistema láser 100 tiene una pluralidad de entradas de haz absorbido 104.1, 104.2 (referidas colectivamente por el número 104). Las entradas de haz absorbido 104 están configuradas para generar haces absorbidos 106.1, 106.2 respectivos (denominados colectivamente por el número de referencia 106) a la segunda longitud de onda. En este ejemplo, las entradas del haz absorbido son simples diodos láser 104, que son relativamente baratos, compactos y fácilmente disponibles. En este ejemplo, un rayo láser generado por tales diodos láser 104 tiene una longitud de onda de 792 nm.
Los diversos haces absorbidos 106 son paralelos unos a los otros. El sistema láser 100 tiene un componente de guiado del haz 108 en forma de espejo dicroico 108 dispuesto diagonalmente a 45° entre los diodos láser 104 y los medios dopados 102, 103 para redirigir los haces absorbidos 106 en 90°.
La figura 4 ilustra una realización ligeramente modificada del sistema láser 200 comparado con el de la figura 1. El haz de energía 112 se redirige 90° mediante un espejo dicroico 408 y los haces absorbidos 106 se transmiten, no se redirigen. Los mismos o similares números de referencia en las figuras 2 y 5 se refieren a las mismas o similares características.
El sistema láser 100 tiene una entrada de haz de energía 110 configurada para generar o recibir un haz de energía 112 a la primera longitud de onda. La entrada del haz de energía 110 dirige el haz de energía (de entrada) hacia los medios dopados 102, 103 y un haz de energía de salida 114 sale por el otro lado.
En una realización (no ilustrada), la entrada de haz de energía 110 puede no generar por sí misma el haz de energía 112, sino que puede ser un acoplador para recibir la entrada del haz de energía 112 generado desde un dispositivo de generación de láser externo.
En este ejemplo, el primer medio dopado 102 es absorbente en un primer rango de longitud de onda y el primer diodo láser 104.1 emite un haz absorbido 106.1 en la primera longitud de onda. Del mismo modo, el segundo medio dopado 103 es absorbente en un segundo intervalo de longitudes de onda y el segundo diodo láser 104.2 emite el haz absorbido 106.2 en la segunda longitud de onda, siendo diferentes las longitudes de onda primera y segunda. Es importante destacar que al menos parte de la energía óptica de los haces absorbidos 106 es absorbida por los medios dopados 102, 103 y convertida en calor. Esto hace que los medios dopados 102, 103 se calienten en la región de los haces absorbidos 106 e induce de esta manera un perfil de cambio de fase termo-óptico.
Si hay lentes térmicas en otro lugar (se hace referencia al sistema 300 de la figura 3) y provoca un efecto de enfo que, pero no una gran variación en el tamaño del haz láser de la entrada del haz de energía antes de los espejos de escaneado, la potencia de un haz absorbido 106,1 que se absorbe en un dispositivo consistente en un medio óptico dopado con dn/dT negativo simple puede aumentarse para compensar el efecto.
Si hay lentes térmicas en otra parte del sistema 300 y causan un efecto de desenfoque, pero no una gran variación en el tamaño del haz láser de la entrada del haz de energía antes de los espejos de exploración, la potencia de un haz absorbido 106.2 que se absorbe en un dispositivo que consiste en un medio óptico dopado con dn/dT positivo simple puede aumentarse para compensar el efecto.
Si hay lentes térmicas en otra parte del sistema 300 que causan una disminución del tamaño del haz láser de la entrada del haz de energía antes de los espejos de exploración, la potencia de ambos haces absorbidos 106 que se absorben en un dispositivo que consta de medios ópticos dopados con dn/dT positivo y negativo puede aumentarse para compensar el efecto. La relación entre la potencia y la distancia entre los dos medios dopados sería tal que el efecto resultante sería el de un telescopio.
Si hay lentes térmicas en otra parte del sistema 300 que causan un aumento en el tamaño del haz láser de la entra da del haz de energía antes de que los espejos de exploración, 102 y 103 se intercambien y la potencia de dos ha ces absorbidos 106 que son absorbidos en un dispositivo que consiste en ambos medios ópticos dopados dn/dT positivo y negativo puede aumentarse para compensar el efecto. La relación entre la potencia y la distancia entre los dos medios dopados sería tal que el efecto resultante sería el de un telescopio.
La figura 2 ilustra un sistema de control básico 200 que puede formar parte del sistema láser 100, 200. Un controla dor electrónico 202 puede controlar el diodo láser 104 para variar las características de los haces absorbidos 106, por ejemplo, su intensidad. El controlador 202 comprende criterios de control o instrucciones 204 y puede estar plasmado por un ordenador. Opcionalmente, el sistema de control 200 también incluye un sensor o detector 206 para detectar una característica del haz de energía de salida 114, o un efecto del haz de energía de salida, permi tiendo de esta manera al controlador 202 ajustar el diodo láser 104 de acuerdo con una característica del haz de energía de salida 114 - proporcionando de esta manera un mecanismo de retroalimentación. Esto podría utilizarse para corregir la lente térmica transitoria en otros elementos ópticos por medio de los cuales se transmite el haz de energía 114.
La figura 3 ilustra un sistema de fabricación aditiva 300 que incorpora el sistema láser 100. El sistema láser 100 se ha colocado en una posición conveniente antes de los dos espejos de exploración 302. Los perfiles cuadráticos controlables de cambio de fase térmica en los medios dopados 102 o 103 compensarían la lente térmica en los componentes ópticos 304 (una lente de colimación), 306 (una lente de enfoque) o 304 (una ventana de protección). El ajuste de al menos un parámetro variable puede incluir el ajuste de la potencia de al menos una de las entradas del haz absorbido.
La unidad de control puede estar configurada para analizar el valor recibido y/o el valor recibido procesado (del sis tema de sensores) aplicando un algoritmo de compensación con el fin de determinar la cantidad de potencia asigna da a las entradas individuales del haz absorbido, compensando de esta manera el efecto de la distorsión medida, o cambiando el tamaño de la entrada del haz de energía en la superficie de trabajo según sea necesario.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control (100) para el control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía (112) en un aparato de fabricación aditiva, incluyendo el sistema de control :
un primer medio dopado (102) y un segundo medio dopado (103), cada uno de los cuales está dopado con un dopante, en el que:
el primer medio dopado tiene un coeficiente termo-óptico positivo (dn/dT), por lo que está configurado para actuar como una lente positiva controlable (convergente); y
el segundo medio dopado tiene un coeficiente termoóptico negativo (dn/dT), por lo que está configurado pa ra actuar como una lente negativa (divergente) controlable, y está en serie con el primer medio dopado; una entrada de haz de energía (110) configurada para generar, o un acoplamiento de haz de energía confi gurado para recibir, un haz de energía que se requiere controlar, estando el haz de energía dentro de una primera gama de longitudes de onda y dirigido hacia los medios dopados primero y segundo; y una pluralidad de entradas de haces absorbidos (104.1, 104.2) configuradas para generar, o una pluralidad de acoplamientos de haces absorbidos configurados para recibir, haces absorbidos respectivos (106.1, 106.2) en una segunda gama de longitudes de onda que es diferente de la primera gama de longitudes de onda, siendo los haces absorbidos paralelos unos a los otros y estando dirigidos hacia los medios dopados primero y segundo ; y
una unidad de control (202) configurada para controlar (i) la entrada o el acoplamiento del haz de energía y (ii) las entradas o acoplamientos del haz absorbido, controlando de esta manera una intensidad del haz de energía y de los haces absorbidos,
en el que los medios primero y segundo dopados tienen una característica de absorción del haz mayor en la segunda gama de longitudes de onda que en la primera gama de longitudes de onda, lo que hace que los haces absorbidos tengan una absorción mayor que el haz de energía en los medios primero y segundo dopados y en el que los medios primero y segundo dopados son ópticamente transparentes en la primera gama de longitudes de onda,
y en el que los medios dopados primero y segundo tienen cada uno un revestimiento que permite la trans misión tanto en la primera como en la segunda gama de longitudes de onda.
2. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 1, en el que la entrada o acoplamiento del haz de energía es cualquier fuente/sistema láser que requiera, o requiera intermitentemente, que su haz sea com pensado o controlado.
3. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que el haz de energía tiene una potencia superior a 1 kilovatio.
4. El sistema de control como se ha reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que las en tradas o acoplamientos del haz absorbido son diodos láser, láseres de diodo acoplados por fibra u otros láseres de diodo homogeneizados.
5. El sistema de control como se ha reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que incluye al me nos un componente de guiado de haces (108) para guiar el haz de energía y los haces absorbidos.
6. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que los haces absorbidos, al ser absorbidos, se convierten en calor y provocan un perfil de temperatura dentro de los medios primero y segundo dopados.
7. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 6, en el que el perfil de temperatura en el interior de los medios primero y segundo dopados induce una variación del perfil del índice de refracción cuya magnitud depende principalmente de los coeficientes termo-ópticos (dn/dT) del material.
8. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 7, en el que la variación del perfil del índice de refracción da lugar a la formación de un perfil de cambio de fase óptica dentro de los medios primero y se gundo dopados.
9. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 8, en el que el perfil de cambio de fase óptica modifica un radio de curvatura del haz de energía y/o le añade aberración esférica.
10. El sistema de control como se ha reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 8-9, en el que el perfil de cambio de fase óptica en los medios primero y segundo dopados, inducido por los haces absorbidos, depen de de uno o más de:
el tamaño absoluto e intensidad del haz absorbido y del haz de energía;
la intensidad relativa del haz absorbido y del haz de energía;
el dispositivo de refrigeración/calefacción (116) del medio dopado;
el tamaño relativo del haz absorbido y del haz de energía unos con respecto a los otros y con respecto a las superficies de enfriamiento/calentamiento del medio dopado;
el perfil de intensidad del haz absorbido;
el tipo de medio óptico dopado.
11. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en el que, si las abe rraciones esféricas no son dominantes en la lente térmica, los haces absorbidos tienen una forma superior plana y el perfil de cambio de fase óptica es cuadrático sobre la extensión del haz de energía, siendo el de una lente esférica variable que compensa un desplazamiento del foco del haz.
12. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 8-10, en el que, si la aberra ción esférica es significativa en la lente térmica, la forma de los haces absorbidos se varía para introducir abe rración esférica de magnitud opuesta a la que causa la lente térmica.
13. El sistema de control como se ha reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en el que los medios primero y segundo dopados son un medio cristalino o un medio vítreo.
14. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que los medios primero y segundo dopados no contribuyen significativamente a la ganancia en el primer o segundo intervalo de longitudes de onda del haz absorbido y del haz de energía.
15. El sistema de control como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1-14, en el que: los medios prime ro y segundo dopados están recubiertos con una capa Antirreflejante (AR).
16. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 15, en el que el primer y el segundo medios dopados tienen características de absorción diferentes.
17. El sistema de control como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-16, en el que una longitud de onda de una de las entradas del haz absorbido es tal que no se absorbe en al menos uno de los medios do pados, pero todavía se encuentra en el segundo intervalo de longitudes de onda.
18. El sistema de control como se ha reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1-17, que incluye: al menos un sensor de haz (206) configurado para supervisar al menos una propiedad del haz de energía dirigido sobre una superficie de trabajo mediante una disposición óptica;
en el que la unidad de control está en comunicación electrónica con el sensor de haz, estando configurada la unidad de control para recibir, del sensor, un valor asociado con al menos una propiedad monitorizada, y en el que la unidad de control está configurada para:
analizar el valor recibido o un valor recibido procesado para determinar si el valor recibido o el valor recibido procesado es igual a un valor predefinido o se encuentra dentro de un intervalo de valores predefinido; y si el valor recibido o el valor recibido procesado no es igual al valor predefinido o no se encuentra dentro del intervalo de valores predefinidos, provocar el ajuste de al menos un parámetro variable asociado al haz de energía.
19. El sistema de control como se ha reivindicado en la reivindicación 18, en el que el sensor de haz está configura do para monitorizar uno o más de entre:
al menos una propiedad en o cerca de un punto de control a lo largo de una trayectoria óptica del haz de energía;
al menos una propiedad en o cerca de una zona de enfoque en un plano de trabajo (306) o en un plano conjugado;
el tamaño del punto de entrada del haz de energía y/o el tamaño y la forma de un baño de fusión.
ES19755677T 2018-06-27 2019-06-26 Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva Active ES2960786T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA201804309 2018-06-27
PCT/IB2019/055373 WO2020003142A1 (en) 2018-06-27 2019-06-26 Thermo optical control of focus position of an energy beam in an additive manufacturing apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2960786T3 true ES2960786T3 (es) 2024-03-06

Family

ID=67660593

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES19755677T Active ES2960786T3 (es) 2018-06-27 2019-06-26 Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20210268741A1 (es)
EP (1) EP3814040B1 (es)
ES (1) ES2960786T3 (es)
WO (1) WO2020003142A1 (es)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022111298A1 (de) 2022-05-06 2023-11-09 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Anlage zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einer Bauplattform und zugehöriges Fertigungsverfahren, mit gekühlter Blendeneinrichtung

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002314179A (ja) * 2001-04-09 2002-10-25 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光利得等化器、光増幅装置及び光伝送システム
US7085303B2 (en) * 2003-10-16 2006-08-01 The Boeing Company Laser with combined lens and birefringence compensator
US7822091B2 (en) * 2008-07-14 2010-10-26 Lockheed Martin Corporation Inverted composite slab sandwich laser gain medium
WO2010039329A2 (en) * 2008-08-06 2010-04-08 University Of Florida Research Foundation, Inc. Adaptive laser beam shaping
JP5099599B2 (ja) * 2008-10-14 2012-12-19 株式会社ニコン 透過型光学素子、レーザー発振器及びレーザー加工機
US9289850B2 (en) * 2011-04-08 2016-03-22 Mitsubishi Electric Corporation Laser machining device
DE102014104974B4 (de) * 2014-04-08 2018-03-01 Jena-Optronik Gmbh Optische Vorrichtung mit einer Kompensation eines thermooptischen Effekts einer optischen Komponente
EP3067132A1 (en) * 2015-03-11 2016-09-14 SLM Solutions Group AG Method and apparatus for producing a three-dimensional work piece with thermal focus shift compensation of the laser
EP3642676A1 (en) * 2017-06-20 2020-04-29 Csir Control system and method of controlling an energy beam in an additive manufacturing apparatus
CN207127391U (zh) * 2017-08-28 2018-03-23 福建海创光电有限公司 一种三维激光打标镜头
CN207114861U (zh) * 2017-08-28 2018-03-16 福建海创光电有限公司 一种温度补偿的高功率激光加工镜头

Also Published As

Publication number Publication date
EP3814040A1 (en) 2021-05-05
EP3814040B1 (en) 2023-07-12
US20210268741A1 (en) 2021-09-02
WO2020003142A1 (en) 2020-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10418774B2 (en) Spectrally multiplexing diode pump modules to improve brightness
US10226837B2 (en) Thermal processing with line beams
ES2960786T3 (es) Control termo-óptico de la posición de enfoque de un haz de energía en un aparato de fabricación aditiva
CN105406334B (zh) 空间光束耦合系统及其闭环控制方法
CN105826806A (zh) 通过对放大介质进行同源泵浦来放大激光束
KR20180021096A (ko) 레이저 가공 헤드 및 그를 포함하는 레이저 가공 기계
JP6874205B2 (ja) 透過型適応光学システム
CN104729717A (zh) 一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法
CN103972777A (zh) 激光多通放大器
US5076678A (en) Laser diode light imaging optics
CN216633000U (zh) 一种可调匀化光斑的光学系统
Koch Self-adaptive optical elements for compensation of thermal lensing effects in diode end-pumped solid state lasers—proposal and preliminary experiments
US20210126420A1 (en) Thermo-optic intracavity beam shaping and mode control with doped optical materials
Weichelt et al. Improving the brightness of a multi-kW thin disk laser with a single disk by an aspherical phase-front correction
ES2211088T3 (es) Disposicion de resonador para laser de cuerpo fijo.
US20210263349A1 (en) Thermo-optic laser beam shaping with doped optical materials
Yu et al. Automatic low-order aberrations compensator for a conduction-cooled end-pumped solid-state zigzag slab laser
EP3796054A1 (en) Optical element assembly, optical imaging device, and optical processing device
CN113594843B (zh) 光纤激光器及激光控制方法
JP2000340868A (ja) 固体レーザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置
JP4159433B2 (ja) レーザアニーリング装置
Bigotta et al. Latest developments on the Er3+: YAG solid state heat-capacity laser
CN116646808A (zh) 一种利用热透镜效应实现连续光简并腔激光器的方法
CN105607378A (zh) 一种基于热效应的光束发散角控制方法
KR20170008052A (ko) 고체 레이저 광펌핑 매질 온도차 조정 시스템 및 방법