JP2021523019A - レーザービーム位置決め光学系、光ファイバーおよびファイバー終端光学系を備えるレーザービームスキャナー - Google Patents

レーザービーム位置決め光学系、光ファイバーおよびファイバー終端光学系を備えるレーザービームスキャナー Download PDF

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Abstract

本発明は、レーザービーム位置決め光学系（１２０）、複数のレーザービーム（１２２ａ）を送達するための複数の光ファイバー（１２１）、およびレーザービームを複数の光ファイバー（１２１）の出力端からレーザービーム位置決め光学系（１２０）に向けるべく整列されるファイバー終端光学系（１２３ａ）を備えているレーザービームスキャナーに関する。レーザービーム位置決め光学系（１２０）は、作業面（１２４）に亘ってレーザービーム（１２２ａ）を走査するために、ファイバー終端光学系（１２３ａ）に対して移動可能である。

Description

本発明は、レーザービームスキャナー、限定されるものではないが、特に、粉末床積層造形装置などの積層造形（ＡＭ）装置用のレーザービームスキャナーに関する。本発明はまた、マルチレーザービーム光学系を含むレーザービームスキャナー用の光学系、およびその製造方法に関する。
粉末床積層造形において、オブジェクトは、粉末材料の層ごとの固化によって製造される。選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）や選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）を含む粉末床積層造形には、さまざまな方法が存する。
選択的レーザー溶融では、金属粉末層などの粉末層が構築チャンバー内の粉末床に堆積され、スキャナーが、構築中のオブジェクトの断面（スライス）に対応する粉末層の部分に亘ってレーザービームを走査する。レーザービームは、固化層を形成するために、粉末を溶融させる。層の選択的な固化後、粉末床は層の厚さだけ降下され、必要に応じて、粉末のさらなる層が表面上に広げられ、固化される。この層ごとのプロセスを通じて、１つまたは複数のオブジェクトが形成される。
レーザーベースの粉末床積層造形プロセスを進めることができる速度は、敏捷かつ正確な方法で、粉末床へのレーザー出力を得ることが困難であるために制限される。複雑なスキャン経路は、ビーム位置決め用電気機械システムからの高帯域幅の位置決め性能を必要とし、且つ固体セクションは、広い領域に供給される大量の光出力を必要とする。これが達成され得る速度は、材料費と機械の準備を上回って、ＡＭ構成要素のコスト、大きな（多くの場合最大の）要因の一つである機械の１時間あたりの設備コストの重要な決定要因である。
最近、この速度は、マルチレーザーＡＭ装置を使用して、大幅に増加されている。典型的には、これらの装置は、単一の粉末床の上に配置された複数のビーム配送チャネルを備える単一の構築チャンバーを備えている。Ｒｅｎｉｓｈａｗ（レニショー社）の「ＲｅｎＡＭTM５００Ｑ」の例は、名目上、同じ粉末床に対応する４つのレーザーを有しているけれども、通常、これらのチャネルが対応する領域は、重なり合う部分で敷設される。各ビーム配送チャネルは、レーザー源、２つの名目上直交するガルボミラー（ｇａｌｖｏ−ｍｉｒｒｏｒ）、およびレーザービームが粉末床上で個別に操縦され得るような、動的集束レンズの形態の集束メカニズムを備えている。
このタイプのマルチレーザーシステムの欠点は、各レーザーが、２つのガルボミラーと１つの集束構成要素を必要とすることである。これは、調整に費用と時間がかかり、定期的なサービスが必要であり、ビーム配送チャネルの物理的なサイズのせいで、同じ領域の粉末に対処するために絞り込むことができるレーザーの数（最も生産的なマルチレーザー配置）に物理的な制限を設定している。
特許文献１は、粉末床に焦点を有する焼結用ビームと、集束ビームの焦点に近い領域に入射する少なくとも１つの焦点ぼけレーザービームとを含むマルチビームレーザー焼結装置を開示している。集束用ミラーは、集束ビームを走査用ミラーに提供する。焦点がぼけたビームは、ミラーの穴を通過して走査用ミラーに到達する。ビームが通過するのを許容する穴のある集束光学系の代わりに、両方のビームを反射および集束させるための、より大きな集束光学系が使用されてもよい。レーザービームを分割して集束および焦点ぼけレーザービームを形成するのではなく、２つの独立したレーザー光源が使用されてもよい。
特許文献２は、複数の露出ヘッドを含んでいるスキャナーを備える露出装置を開示している。各露出ヘッドは、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を含んでいる。ＤＭＤの光入射側に順番に配置されているのは、光ファイバーの出力端が一列に配置されたレーザー出力部分を含むファイバーアレイ光源、ファイバーアレイ光源から放射されたレーザービームを補正してレーザービームをＤＭＤに凝縮するレンズシステム、およびレンズシステムに伝搬されたレーザービームをＤＭＤに反射するミラーである。光ファイバーの出射端部は、平面を有する２枚のプレートの間に挟まれている。光ファイバーの端面を保護するために、光ファイバーの発光側にガラスなどの透明な保護板が配置されている。
特許文献３は、直接的な金属レーザー溶融で使用するためのダイオードレーザーファイバーアレイを開示している。複数の円筒形レンズが、各ダイオードレーザーを光ファイバーに結合するべく、ダイオードレーザーと複数の光ファイバーの間に配置されている。ダイオードレーザーアレイは、光ファイバーの端部にレンズを含むか、または光ファイバーの端部は、平行にされた（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）または発散するレーザービームを提供するべく成形され得る。
特許文献４は、レーザーベースの生成的構成要素製造のための装置を開示している。この装置は、加工面のレーザーラインに５つのレーザースポットを形成するための加工ヘッドを備えている。レーザースポットは、いずれの場合も、ファイバーに結合されたダイオードレーザーから形成され、その放射は光ファイバーを介して処理ヘッド内の光学集束要素に導かれ、集束要素を使用して処理面に集束される。
特許文献５は、半導体レーザーの少なくとも２つのアレイと少なくとも１つの光学素子を含む積層造形用のレーザー印刷システムを開示し、光学素子は、レーザーアレイによって放射されるレーザー光を作業面に画像化するように適合されている。
米国特許第５５０８４８９号 米国出願公開第２００３／０２１４５７１号 米国出願公開第２０１５／０１６５５５６号 米国出願公開第２０１６／０１１４４２７号 米国出願公開第２０１６／０２７９７０７号 国際出願番号第ＰＣＴ／ＧＢ２０１８／０５０１９５号 国際公開第２０１６／１５６８２４号 国際公開第２０１４／１２５２８０号 国際公開第２０１４／１２５２５８号 国際公開第２０１６／０７９４９６号 英国出願第１８０３５１０．５号
本発明の第１の態様によれば、レーザービーム位置決め光学系、複数のレーザービームを配送する複数の光ファイバー、および複数の光ファイバーの出力端からレーザービームをレーザービーム位置決め光学系に向けるように整列されたファイバー終端光学系を備え、レーザービーム位置決め光学系は、作業面に亘ってレーザービームを走査するために、光ファイバー終端光学系に対して可動であるレーザービームスキャナーが提供される。
このようにして、レーザービームスキャナーによって増加された出力が必要な領域に配送され、各レーザービームについて個別の光チャネルを設けることに伴うコストを、大幅には増加させることなく、レーザーについての定刻性（ｏｎ−ｔｉｍｅ）を高い割合で保証している。積層造形では、通常、粉末床の表面などの、作業面のごく一部のみが、各層において、レーザービームに露出する必要があり、レーザービームについての定刻性を最大化するためには、レーザービームを作業面の複数の場所に向けることができることが望ましい。光チャネルのすべての光学系ではなく、レーザービーム位置決め光学系を移動させることによってレーザービームを走査することは、レーザービーム位置決め光学系が迅速な動的応答を達成することを可能にする。
一旦、光ファイバーの出力端が終端光学系と整列されると、レーザービームとレーザービーム位置決め光学系などのレーザースキャナーの他の光学構成要素の光軸との整列は、ファイバーの終端光学系と光軸との整列によって達成することができる。終端光学系は、複数の光ファイバーの出力端を保持するためのホルダーに接続されてもよい。ホルダーは、終端光学系と共に複数の光ファイバーの出力端を受入れ且つ整列するための複数のチャネルを備えていてもよい。終端光学系は、各レーザービームを平行にしおよび／または集束するための複数のレンズを形成する輪郭のある表面を備えていてもよい。終端光学系は、光ファイバーのチャネルへの挿入が、各光ファイバーの出力端を輪郭のある表面のレンズの対応する１つと整列させるように、ホルダーに接続されてもよい。代わりに、終端光学系は、レーザービームが通過する平面の端面（平面光学系）を備えていてもよい。
終端光学系およびホルダーは、単一の基板から形成されてもよい。代わりに、終端光学系とホルダーは、互いに接続されたときに２つの部分を相対的に配置する位置決め構成を備えている、別個の部品（雄と雌の部品）であってもよい。ホルダーおよび／または終端光学系は、レーザー刻印および化学エッチングプロセス、例えば、特許文献６に記載のプロセスを使用して形成されてもよい。
光ファイバーの出力端は、終端光学系に接合されてもよい。光ファイバーの出力端は、終端光学系に融合／溶接されてもよい。例えば、光ファイバーの出力端は、光ファイバーを終端光学系の表面と接触させ、そして光ファイバーを通してレーザービームを伝播し、光ファイバーと終端光学系との間の接触界面で材料を溶融させ、光ファイバーを終端光学系に融合させることによって、終端光学系に融合／溶接されてもよい。溶接部が冷却されると、２つの構成要素間の界面でのエネルギー損失（反射による）が最小限になるように、光ファイバーが終端光学系に結合される。構成要素のインターフェイスにおいてのわずかな損失でも、構成要素／レーザービームスキャナーが大幅に加熱され、レーザービーム経路が歪む可能性があるため、これは、高エネルギーレーザービームを操縦するためのレーザービームスキャナーでは重要である。
レーザービーム位置決め光学系は、レーザービームを作業面上の異なる位置に向けるための少なくとも１つの傾斜可能なミラー、そして好ましくは、少なくとも２つの傾斜可能なミラーを備えてもよい。レーザービーム位置決め光学系は、直交する軸の回りに傾斜可能な２つの傾斜可能なミラーを備えてもよい。代わりに、または、追加して、レーザービーム位置決め光学系は、非直交軸、例えば、平行な軸の回りに傾斜可能な２つの傾斜可能ミラーを備えてもよい。例えば、傾斜可能ミラーの一方は、例えば、特許文献７に記載されているように、傾斜可能ミラーの他方よりも速い動的応答性を有してもよい。
レーザービームスキャナーは、作業面上のレーザービームの相対位置を動的に調整するための、レーザービームパターン調整光学系を備えてもよい。レーザービームパターン調整光学系は、複数の個別に変位可能な部分、例えば、ミラー部分を備えてもよく、各変位可能部分は、レーザービームの１つまたはサブセットを操縦するために配置されている。このようにして、ミラー部分の変位は、作業面上のレーザービームの相対位置を調整するために使用されてもよい。レーザービームパターン調整光学系の各部分は、レーザービーム位置決め光学系、例えば、検流計の制御下にある傾斜可能なミラーを使用して達成可能なレーザービームのパターンの作業面上のより大きな変位と比較して、作業面上で相対して小さな変位に対応するレーザービームをさらすために変位可能であってもよい。
レーザービームスキャナーは、レーザービームを集束させるための集束光学系を備えていてもよい。集束光学系は、作業面内のレーザービームの焦点を維持するように動作可能であってもよい。集束光学系は、作業面上のレーザービームの位置の変化に応じて動的に調整可能なｆ‐θレンズまたは少なくとも１つの可動集束レンズを備えていてもよい。
光ファイバーの終端光学系および出力端は、複数の異なる走査方向に対して同じパターンのレーザービームスポットが作業面上で達成されるようなパターンに配置されてもよい。光ファイバーの出力端は、レーザービームスキャナーの光軸の回りに回転対称なパターンで配置されてもよい。光ファイバーの円形の出力端は、三角形、六角形、または正方形のパターン（タイリング（ｔｉｌｉｎｇ））で配置されてもよい。回転対称性は、レーザービームによって形成されるトラック（ハッチ）間の間隔を同じに保ちながら、異なる走査方向においてレーザービームを走査することを許容する。
光ファイバーの終端光学系および出力端は、レーザービームスキャナーの光軸の回りで回転可能であってもよい。これは、レーザービームによって形成されたトラック（ハッチ）間の同じ間隔および／または光軸の回りの光ファイバーの出力端の非回転対称配置を維持しながら、追加の方向への走査を可能にし得る。
レーザービームスキャナーは、レーザービーム位置決め光学系集束光学系および／または終端光学系の動きを制御するためのコントローラーを備えてもよい。コントローラーは、レーザービーム位置決め光学系を制御して、作業面に沿うレーザービームの第１のパスによる第１のトラックのセットと、作業面に沿うレーザービームの第２のパスによる第２のトラックのセットを形成するために、表面に亘ってレーザービームを走査するように構成されてもよく、第２のトラックの１つは第１のトラックの１つの間に散在される。
複数の光ファイバーは、３つから７つの間の光ファイバーを備えてもよい。
本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様によるレーザービームスキャナーを備える積層造形装置が提供される。積層造形装置は、材料の層を選択的に固化することにより、層ごとの方法（Ｌａｙｅｒ−ｂｙ−Ｌａｙｅｒ法）でオブジェクトを構築する。
積層造形装置は、粉末床を支持するための可動プラットフォームを備えた粉末床積層造形装置であってもよく、そしてレーザービームスキャナーは、粉末床の表面に亘ってレーザービームを走査するように配置されている。
積層造形装置は、連続する層に対して異なる走査方向に延びるトラックに沿ってレーザービームを走査するように、レーザービームスキャナーを制御するためのコントローラーを備えてもよい。コントローラーは、レーザービームの異なるサブセットが異なる走査方向に延びるトラックを形成するために使用されるように、レーザービームを生成するレーザーを制御するべく、構成されてもよい。
積層造形装置は、光ファイバーによってレーザービームスキャナーに配送されるレーザービームを生成するための複数のレーザーを備えてもよく、複数のレーザーは、異なる波長および／または異なるパルス長を有するレーザービームを生成するための異なるタイプのレーザーからなる。例えば、レーザーは、材料の予熱および／または固化用の連続波レーザー（少なくともマイクロ秒、１０マイクロ秒、さらには１００マイクロ秒の長さを有するレーザーパルスを生成するように変調され得る）、およびパルスレーザー、たとえば、材料のアブレーションに使用できるナノ、ピコ、またはフェムト秒レーザーを含んでもよい。
本発明の第３の態様によれば、光ファイバーを光学部品に融合させる方法が提供され、この方法は、光ファイバーの端部を光学部品と接触させること、光ファイバーに、レーザービームであって光ファイバーの端部と光学部品との間の界面で材料を溶融するのに十分な出力を有している、レーザービームを通過させること、および溶融した材料が光ファイバーを光学部品に融合させるべく冷却するのを許容することを備えている。
本発明の第４の態様によれば、各チャネルが光ファイバーを受容するように配置されている、複数のチャネルをその中に有するホルダーと、複数のレンズを形成する輪郭のある表面を備える終端光学系であって、ホルダーに接続された終端光学系とを備えるマルチレーザービーム配送光学系が提供され、各チャネルは、チャネルに挿入される光ファイバーの出力端を、対応するレンズが光ファイバーによって配送されるレーザービームを平行にしおよび／または集束するように対応するレンズに整列させるべく、複数のレンズの対応するレンズと整列されている。
光ファイバーの出力端は、終端光学系に融合／溶接されてもよい。終端光学系は、ホルダーと一体的に形成されるか、またはホルダー終端光学系は、別個の部品を備えてもよい。
本発明の第５の態様によれば、共通のピボットの回りに変位可能な複数のミラー部分と、各ミラー部分についてミラー部分の変位を駆動するための少なくとも１つのアクチュエーターと、を備えているマルチレーザービーム光学系が提供される。
少なくとも１つのアクチュエーターは、圧電アクチュエーターからなってもよい。圧電アクチュエーターは、制限されたストロークの高周波応答を提供し得る。各ミラー部分は、２つの、好ましくは直交する軸の回りに少なくとも２つの間隔を空けたアクチュエーターによって変位可能であってもよい。ミラー部分は、例えば、花びらのデザインにおいて、共通のピボットの回りに配置されてもよい。
図１は、本発明の一実施形態によるレーザービームスキャナーの断面図である。 図２は、図１に示されたレーザービームスキャナーの複数の光ファイバーのための端部キャップの断面図である。 図３は、図２に示された端部キャップの終端光学系の端面図である。 図４は、本発明の一実施形態による粉末床積層造形装置の概略図である。 図５ａは、本発明の実施形態による、異なるレーザービーム構成（パターン）を用いて、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する単パス走査方法を示している。 図５ｂは、本発明の実施形態による、異なるレーザービーム構成（パターン）を用いて、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する単パス走査方法を示している。 図５ｃは、本発明の実施形態による、異なるレーザービーム構成（パターン）を用いて、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する単パス走査方法を示している。 図５ｄは、本発明の実施形態による、異なるレーザービーム構成（パターン）を用いて、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する単パス走査方法を示している。 図６は、図５ｂに示されるレーザービーム構成を使用して、作業面上に一連の等間隔の平行なトラック（ハッチ）を形成するためのマルチパス走査方法を示している。 図７ａは、作業面上に一連の等間隔の平行なトラック（ハッチ）を形成するための、図５ａから５ｄに示されるレーザービーム構成の多方向走査機能を示している。 図７ｂは、作業面上に一連の等間隔の平行なトラック（ハッチ）を形成するための、図５ａから５ｄに示されるレーザービーム構成の多方向走査機能を示している。 図７ｃは、作業面上に一連の等間隔の平行なトラック（ハッチ）を形成するための、図５ａから５ｄに示されるレーザービーム構成の多方向走査機能を示している。 図７ｄは、作業面上に一連の等間隔の平行なトラック（ハッチ）を形成するための、図５ａから５ｄに示されるレーザービーム構成の多方向走査機能を示している。 図８ａは、利用可能な全レーザービームのサブセットを使用して達成可能な、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する方法を示している。 図８ｂは、利用可能な全レーザービームのサブセットを使用して達成可能な、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する方法を示している。 図８ｃは、利用可能な全レーザービームのサブセットを使用して達成可能な、作業面上に一連の等間隔の平行トラック（ハッチ）を形成する方法を示している。 図９は、本発明の別の実施形態によるレーザービームスキャナーの断面図である。 図１０は、本発明の実施形態によるレーザービームパターン調整光学系を示している。 図１１は、図１０に示されたレーザービームパターン位置決め光学系で達成可能な走査戦略を示している。 図１２は、本発明の別の実施形態によるレーザービームスキャナーの断面図である。
図１から３を参照するに、本発明の実施形態によるレーザービームスキャナー１０６は、レーザービーム位置決め光学系１２０、複数のレーザービーム１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを配送する複数の光ファイバー（この実施形態においては、７つであるが、３つの光ファイバー１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃのみが示されている）、およびレーザービーム１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを光ファイバー１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃの出力端からレーザービーム位置決め光学系１２０に向けるように整列された単一のファイバー終端光学系１２３ａを備えている。レーザービーム位置決め光学系１２０は、作業面１２４に亘ってレーザービーム１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを走査させるべく、ファイバー終端光学系１２３ａに対して移動可能である。
この実施形態では、レーザービーム位置決め光学系１２０は、ミラーの動きが作業面１２４に亘って二次元で、レーザービーム１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを走査させるように、直交軸の回りに回転するべく取り付けられた一対の傾斜可能なミラー（そのうちの１つのみが示されている）を備えている。傾斜可能なミラーは、コントローラーからの駆動信号に応答して、検流計（図示せず）によって駆動される。さらなる実施形態においては、２つの走査方向において、方向の急速な変化の能力を高めるために、検流計駆動ミラーよりも速い動的応答性を有する、さらなる傾斜可能なミラーが提供される。異なる動的応答性を有するミラーのそのような配置は、特許文献６）において、より詳細に開示されている。
動的集束光学系１２９は、ビームが傾斜可能なミラーによって作業面に亘って操縦されるときに、作業面１２４の平面内にレーザービームの焦点を維持するために提供されている。代替の実施形態においては、動的集束光学系は、ハウジング１２６の開口１２８またはレーザービームがスキャナー１０６によって向けられるチャンバーのウィンドウ（図４に示されるウィンドウ１０９など）内のｆ−θレンズと置き換えられてもよい。
ファイバー終端光学系１２３ａは、レーザービームが対応する光ファイバーの出力端を離れた後、各発散レーザービームを平行にする複数のレンズ１２５ａから１２５ｇを形成する、光ファイバーの端部から遠位にある輪郭付き表面を備えている。光ファイバーの端部に近位のファイバー終端光学系の表面は、光ファイバーと終端光学系１２３ａとの間の界面での損失を最小にするために、光ファイバーに融合されている。光ファイバーの終端光学系への融合は、光ファイバーを介してレーザービームを伝播し、光ファイバーと終端光学系１２３ａとの間の接触界面において、材料を溶融させることを含んでいる任意の適切な手段によって達成されてもよい。
終端光学系１２３ａは、光ファイバーホルダー１２３ｂに接続されて、複数の光ファイバーの出力端のためのマルチレーザー配送光学系または端部キャップ１２３を形成する。この実施形態では、終端光学系１２３ａは、円筒形の雄ホルダー１２３ｂを受け入れて終端光学系１２３ａをホルダー１２３ｂに接続するための雌スリーブ部分１１９を備えている。ホルダー１２３ｂは、スリーブ１２６内への締まり嵌めである。
光ファイバーホルダー１２３ｂは、各光ファイバー１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ用のチャネル１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃを備えている。各チャネル１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃへの光ファイバーの挿入が、光ファイバーの出力端を終端光学系１２３ａの対応するレンズ１２５ａ〜１２５ｇに整列させる。ホルダー１２３ｂを使用して一旦整列されると、光学的端部は、終端光学系１２３ａに融合されてもよい。
別の実施形態では、終端光学系１２３ａがホルダー１２３ｂと共に一体物として形成される。
ホルダー１２３ｂおよび終端光学系１２３ａは、レーザー刻印および化学エッチングプロセス、例えば、特許文献６に記載されているプロセスを使用して形成される。
端部キャップ１２３は、位置決め用および集束用の光学系１２０および１２９に対する、端部キャップ１２３の位置の調整を許容するフレクシャー（ｆｌｅｘｕｒｅ）１１８によって、レーザースキャナー１０６のハウジング１２６に取り付けられている。このようにして、端部キャップ１２３から出力される、平行にされたレーザービームは、レーザースキャナー１０６によってもたらされる光チャネルの光軸０−０と一緒に整列されてもよい。
レーザースキャナーは、積層造形装置１００において使用され得る。図４は、粉末床積層造形装置１００の一部としてのレーザースキャナー１０６を示している。複数のレーザー１０５ａから１０５ｇが、光ファイバー（概して、１２１と指名されている）を介して、光学スキャナー１０６に接続されている。積層造形装置は、その中に光学ウィンドウ１０９を有する構築チャンバー１０１を備え、レーザースキャナー１０６が、光学ウィンドウ１０９を通して構築チャンバー１０１内の粉末床１０４に、レーザービームを配送するべく取り付けられている。粉末床１０４は、構築スリーブ１１７内で下降可能な構築プラットフォーム１０２によって支持されている。構築プラットフォーム１０２が降下されると、ワイパーおよび分配機構を使用して、粉末床１０４に亘って粉末層が形成される（今、示されている）。レーザースキャナー１０６は、オブジェクト１０３を形成するために粉末材料を固化させるべく、各粉末層に亘ってレーザービームを走査させる。レーザースキャナー１０６およびレーザー１０５ａから１０５ｇの動作は、コントローラー１３０の制御の下にある。コントローラー１３０は、レーザースキャナー１０６およびレーザー１０５ａ〜１０５ｇを制御して、以下に説明するような走査戦略を実行する。
図５ａを参照するに、レーザースキャナーは、粉末層に亘って等間隔に配置された複数のトラック（ハッチ）を同時に形成するために、各層に亘って、７つのレーザービームを走査させることができる。レーザービームパターンの回転対称性は、等間隔のトラックの同時形成が、図７ａに示されるように、いくつかの異なる走査方向について達成され得ることを意味する。層間で走査方向を変えることは、製造される最終的なオブジェクトにおける方向特性を最小化するのに有利である可能性がある。図７ａは、７つのレーザーの構成についての６つの可能な走査方向を示している。しかしながら、他の要件は、例えば、特許文献８および特許文献９に開示されるように、走査が粉末床を横切るガス流と反対の方向である場合、これらの可能な走査方向のサブセット（小集団）に走査方向の選択を制約してもよい。
図５ｂから５ｄおよび７ｂから７ｄは、３〜５個のレーザービームを配送するレーザースキャナーによっての、粉末床の表面のレーザービームスポットの構成（パターン）を使用して形成されるトラックを示している。構成５ｂは、構成５ａと同様に、６０°間隔での等間隔のトラックによる６つの可能なハッチング方向を提供しており、一方、構成５ｃおよび５ｄは、４５°間隔での等間隔のトラックによる８つの可能なハッチング方向を提供している。各構成について、パターン内の各レーザースポットは、（トラックの長さに沿う）走査方向において異なるオフセットにおけるものである。このオフセットは、レーザー発射シーケンスの制御を通じて、各トラックが正しい開始ポイントと終了ポイントを有することを保証するために考慮されてもよい。これは、粉末床１０４を横切る走査線に沿ったレーザーパターンの走査の開始時および終了時において、すべてのレーザー１０５ａから１０５ｇが発射されるわけではない可能性がある。
同時に形成されるトラック間の間隔が、隣接するトラック間で連続的に固化される材料を形成するために必要な間隔よりも広い場合、固化されていない材料のギャップは、互いからの小さなオフセット（走査方向に直交するレーザーパターンの幅未満）を有する１つまたは複数の走査線に沿ったレーザービームのパターンの１つまたは複数のさらなるパスによって、後で固化されてもよい。図６は、図５ｂに示されるレーザー構成についてのかかるスキャン戦略を示しており、最初のパスで形成された最初の３つのトラック（太線で示されている）の間で材料が連続的に固化されるように、レーザービームパターンの４つのパスが、レーザーパターンを１つのパスによってもたらされるレーザートラック幅の１／４のレーザートラックピッチを与えている。パスの数は、レーザービームのパターンごとに異なり、場合によっては、レーザー出力、スキャン速度（または、Ｒｅｎｉｓｈａｗ（レニショー社）の「ＲｅｎＡＭ５００Ｍ」で使用されるポイントスキャン形態）、露出時間および／またはポイント距離などのスキャンパラメーターごとに異なる。連続する各パスは、反対方向である場合がある。
上述のスキャン戦略は、固化される粉末床の領域に亘るレーザービームパターンのパス中に、すべてのレーザーを発射することを前提としている。これにより、レーザーリソースを効率的に使用できる。しかしながら、スキャン中にすべてのレーザーを使用する要件が緩和されている場合は、より幅広い走査方向のセットが可能である。実施例が、図８ａから８ｃに示されている。この実施例では、図５ｃのレーザースポットパターンが使用されている。図８ａで作成されたトラックは、等間隔であるが、４つのレーザーすべてが発射されると、中央のレーザースポットと右側のレーザースポットによって形成されるトラック間に、他のレーザースポットによって形成される隣接するトラック間のギャップよりも大きなギャップが生じる。したがって、トラック間隔を等しく保つために、図８ａに示す方向に走査するときには、右側のスポットのレーザーは発射されない。しかしながら、図８ｂに示されるような別の走査方向については、右側のレーザースポットのレーザーが発射されるが、等間隔のトラックを形成するために別のレーザーは発射されない。走査方向ごとに発射しないレーザーを選択することにより、図８ｃに示されるように、さまざまな走査方向に対して等間隔のトラックが形成され得る。
さらなる実施形態において、異なるタイプのレーザーが、レーザースポットの１つに使用されてもよい。これは、レーザースキャナー１０６が、構築中に異なる目的、例えば、予熱、焼結、溶融、レーザーピーニング、レーザーアブレーション、または工程内のモニタリングに使用される場合に有利であろう。さらに、レーザーパターンは、１つのレーザースポットが粉末材料の予熱に使用され、別のレーザースポットは材料の固化に使用され得るような方向に移動されてもよい。この目的のために、レーザーパターンは、２つのレーザースポットのトラックが同じ線に沿っている（または少なくとも重なっている）が、一方のレーザースポットはその線に沿って他方に続くような方向に走査されてもよい。このような走査戦略は、すべてのレーザービームを同時に利用する、図５ｃに示されるレーザースポット構成、およびレーザーの１つが発射されていない図５ａ、５ｂ、および５ｄに示されるレーザースポット構成で達成できる可能性がある。予熱に使用されるレーザーは、固化に使用されるレーザーよりも低い出力で作動されてもよい。さらなる実施形態では、粉末の予熱は、粉末を焼結するのに十分であってもよく、焼結された粉末は、後で、レーザービームスポットパターンの単一のパスで、別のレーザースポットによって溶融される。異なる走査方向については、異なるレーザービームスポットが、粉末の予熱／焼結および固化のために使用されてもよい。
本発明によるレーザースキャナー２０６のさらなる実施形態が図９に示されている。図１から図３を参照して上で説明された特徴に対応するこの実施形態の特徴は、２００代であるが同じ参照番号が与えられている。上記の実施形態の特徴と同一または類似であるこの実施形態の特徴は、再度説明されることはなく、これらの特徴については上記の説明が参照される。この実施形態は、端部キャップ２２３が光軸Ｏ−Ｏを中心に回転するように取り付けられているということで、図１に示された実施形態とは異なる。この目的のために、ベアリング２４１が、フレクシャー２２５内での端部キャップ２２３の回転を許容するべく設けられ、端部キャップ２２３の回転を駆動するために駆動機構２４０が設けられている。端部キャップ２２３は、等間隔のトラックがレーザービームの回転対称パターンを使用して同時に形成される走査方向の数を増やすために、（例えば、図５ａおよび５ｂに示されるレーザービームパターンについては、０°および６０°の間の角度のセットを通して、および図５ｃおよび５ｄに示されるレーザービームパターンについては、０°および４５°の間の角度のセットを通して）回転可能であってもよい。あるいは、レーザービームの非回転対称パターンが端部キャップ２２３によって提供されてもよく、端部キャップ２２３は、レーザーパターンを各層の走査方向に整列させるべく回転される。この代替の実施形態では、端部キャップ２２３は、０°および３６０°の間の角度のセットを通して回転可能であってもよい。端部キャップ２２３の回転は、端部キャップが一旦その層のための走査方向に整列されると、すべてのトラックが端部キャップ２２３のその方向を使用して形成されるので、層の開始／終了の時にのみ必要とされてもよい。
レーザースキャナーは、レーザーがオンになっている状態で、レーザースポットのパターンが作業面１２４、２２４に亘って移動される連続走査に使用されてもよく、または、レーザービームパターンが、露出時間、作業面上の位置に保持され、その後、新しい露出ポイントに移動される、ポイント走査に使用されてもよい。新しい場所への移動（すなわち、「ホップ」）中に、レーザービームはスイッチオフされてもよい。このようにして、目立たないポイントの露出によって形成された固化領域は、連続的に固化された材料の線を形成するけれども、連続線ではなく一連の目立たないポイントが露出される。図５ａおよび５ｂに示されるように、レーザービームの三角形のタイル張りパターンを有するレーザービームスキャナーは、特許文献１０に記載されるように、目立たない露出ポイントが三角形のパターンで分布される走査戦略のために使用されてもよい。三角形パターンのポイントの露出は、例えば、参照により本明細書に組み込まれる未公開の特許文献１１に開示されているように、複数の層に亘って延在する材料の間隔を空けた「列」が単一の層の露出によって固化され、そして、これらの列間の未固化の材料が後の層の露出によって固化される、多層固化戦略で使用され得る。
図１０を参照するに、さらなる実施形態において、作業面上のレーザースポットの相対位置は、レーザービームの光路に設けられたレーザービームパターン調整光学系３５０を使用するレーザースキャナーによって、動的に変更されてもよい。光学系３５０は、この実施形態では、４つのミラー象限３５１ａから３５１ｄの形態である、複数の個別に変位可能な部分を備えている。各ミラー象限３５１ａから３５１ｄは、アクチュエーター３５３ａ、３５３ｂによって駆動される変位に対して、ミラー象限３５１ａ、３５１ｂ、３５１ｃ、３５１ｄにバイアスをかける、各ミラー象限３５１ａから３５１ｄのためのねじりばねを備えている、中央ピボット３５２の回りに旋回可能である。この実施形態では、各ミラー象限３５１ａから３５１ｄは、１つが象限３５１ａから３５１ｄの各々の外偶部にある２つのアクチュエーター３５３ａ、３５３ｂを備えている。アクチュエーター３５３ａ、３５３ｂは、高い駆動周波数で、ミラー象限の小さな変位（通常、主ビーム位置決め光学系１２０、２２０で達成可能な数百ミリメートルの変位と比較して、作業面で約１ｍｍ以下）を生成することができる圧電スタックの形態である。ミラー象限３５１ａから３５１ｄの各対の間には、ミラー象限３５１ａから３５１ｄとの間の小さな相対変位を許容する可撓性フィルム３５４ａから３４５ｄが存する。レーザービームパターン調整光学系３５０は、光チャネルに沿って配送されるレーザービーム３２２ａから３２２ｄの異なる１つが、ミラー象限３５１ａから３５１ｄの異なる１つに衝突するように、レーザースキャナー内に配置されている。レーザービームパターン調整光学系３５０は、作業面に亘ってレーザービームパターンを操縦するために、終端光学系と検流計駆動の傾斜可能なミラーとの間に配置されてもよい。レーザービームパターン調整光学系３５０は、例えば、終端光学系１２３ａと集束光学系１２９との間で、レーザービームが平行にされる光軸に沿った位置にあってもよい。
この実施形態では、４つの象限ミラーを備えたレーザービームパターン調整光学系３５０が、４つのレーザービームからなるパターンを操縦するために説明されている。しかしながら、異なる数のレーザービームを備えているレーザービームパターンには、異なる数のミラー部分が必要とされる場合があることが理解されよう。そのような実施形態では、各ミラー部分は、象限形状ではなくてもよく、１２０°セクター、六分儀または八分儀などの異なる円セクター（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｓｅｃｔｏｒ）である形状を有し得る。
ビームパターン調整光学系３５０は、位置決め光学系１２０、２２０を用いてレーザービームパターン全体を走査する際に、いくつかの目的に使用することができる。
特定の走査方向に走査するとき、トラック間の望ましい間隔を取得するために、レーザービームスポットの相対位置を変更することが望ましい場合がある。パターン内のレーザービームスポットの相対位置を変更する機能は、設定された間隔でトラックを形成するために利用できる走査方向の数を増加させる可能性がある。
さらに、作業面に亘りレーザービームの固定パターンをステッピングすることによっては達成できない、露出ポイントの所望の分布を達成するためには、パターン内のレーザービームの相対位置を動的に変更することが望ましい場合がある。例えば、図１１においての４０１では、４つのレーザービームのパターンが、露出ポイントの三角形のパターンを達成するために、トラックに沿って走査される。これを達成するために、レーザースポットは、レーザービームパターン位置決め光学系３５０を使用して、図５ｃに示されるスポットの正方形アレイからわずかに変位され、レーザースポットの特定のものは作業面上の１つのポイントに保持され、一方、スポットの他のものは、対応するトラックに沿って隣接するスポット間でホップされる。作業面上のポイントでのスポットの保持およびその後の隣接ポイントへのホッピングは、参照によって本明細書に組み込まれる特許文献７に記載された技術を使用して、特に、特許文献７の図４ａおよび４ｂを参照して達成され得る。図１１において、点線のスポットは、円の周上の「ニュートラル」（バイアスされていない）位置からずらされた位置に示されている。図１１に含まれている２つの三角形は、ニュートラル位置にあるパターンのいくつかのスポットが点露出の三角形パターンの表面上の点露出と一致するとき、レーザースポットの他のスポットは、「ニュートラル」位置にあるとき、露出ポイントから離間されるので、対応するミラー象限の作動を介して「ニュートラル」位置からのレーザースポットの小さな変位が必要になるということを図解するためのものである。このようにして、端部キャップ１２３、２２３によって提供されるレーザービームの画像の倍数ではない点露出パターンが，作業面上で達成可能である。
レーザービームスポットの位置を個別に制御することは、図１１において４０２に示されるように、レーザースポットが、異なる時間に隣接するトラックにホップされ、作業面上でレーザービームパターンのさらなるパスで走査されることを可能にし得る。これは、（検流計操縦ミラーの減速および加速中の溶融に生じる可能性がある欠陥を回避するべく、方向転換中にレーザービームがスイッチオフされるＳｋｙｗｒｉｔｉｎｇに対立するものとして）レーザービームパターンが、材料が固化されるのが継続されたまま、固化されるべき領域の端で方向転換されるのを可能にし得る。各レーザービームは、レーザースポットの「ニュートラル」位置が、まだその露出ポイントに到達していない場合でも、ミラー３５０のより速い動的応答性を使用して、必要な時に、次の露出ポイントにホップされてもよい。図１１に示されるように、パターン内のレーザービームスポットのオフセットの性質のせいで、レーザービームの無発射時間を最小にするための、領域の端でのレーザービームパターンの「早期」方向転換（点線４０３で示されている）は、領域の端が対応するレーザービームの範囲内にないので、固化されるべき領域の端まで延びていないトラックをもたらす可能性がある。これらの固化されない領域は、その領域の境界走査を実行するときに、後で埋められ得る。
４０４に示されるさらなる走査戦略において、パターンは、レーザースポットについての「ニュートラル」位置が露出ポイントのトラックの間になるように配置され、そして、レーザービームパターン調整光学系３５０が、パターンが走査方向に進行されるにつれて、レーザースポットを（破線、一点鎖線、実線のスポットで示されるように）隣接するトラックの露出ポイント間でホップするべく使用される。このようにして、露出ポイントの隣接するトラックは、レーザービームパターンの単一のパスで固化され得る。
図１２は、本発明の一実施形態によるレーザースキャナーの別の実施形態を示している。図１から図３を参照して上で説明された特徴に対応するこの実施形態の特徴には、５００代であるが同じ参照番号が与えられている。上記の実施形態の特徴と同一または類似であるこの実施形態の特徴は、再度説明されることはなく、これらの特徴については上記の説明が参照される。この実施形態は、図１に示された実施形態とは、終端光学系５２３ａが、光ファイバー５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃを通して配送されるレーザービームの伝搬方向に対して、横（直交）方向の平面の近位面および遠位面を、各光ファイバー５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃに呈している点において異なる。したがって、光ファイバー５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃからのレーザービーム５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃは、終端光学系５２３ａで平行にされず、集束光学系５２０に到達するまで発散し続ける。
端部キャップを形成する別の方法は、ファイバーアレイを形成するためにジグを使用して、光ファイバーのセットの端部から外側のコーティングを剥がし、次に、図５ａから５ｄを参照して上に説明されたように、裸のガラスファイバーの端部を必要なパターンに束ねることを含んでいる。７本の光ファイバーのファイバーアレイの場合、光ファイバーは、六角形のパターンで積み重ねることができるが、一方、他のパターンの場合には、適切なスペーサーが提供される。ファイバーアレイは、適切な内径を有するガラス毛細管に供給される。ガラス毛細管の内径は、光ファイバー端部のガラス毛細管への挿入を容易にするために、挿入端部で外向きに先細りになり得る。次に、例えばＣＯ2レーザーまたはＨ2火炎を使用してガラス毛細管に熱が加えられ、ファイバー端部のアレイの回りの毛細管を収縮させる。その後、毛細管の端部およびファイバー端部のアレイは、光ファイバーおよび毛細管の平面端面を提供すべく、劈開されるか、さもなければ切断され、例えば、電気アークＣＯ2レーザーまたはＨ2火炎を使用して、上記のような終端光学系に融合される。平面端面は、終端光学系に融合される前に研磨されてもよい。
さらなる実施形態では、必要なパターンの光ファイバーコアを有するマルチコアファイバーが形成され、このマルチコアファイバーが終端光学系に融合される。レーザーは、自由空間光通信を使用してマルチコア光ファイバーに供給することができるが、これは高価で製造時に注意深い整列が必要な場合があり、または、マルチコア光ファイバーを個々の光ファイバーに分割するファンアウト（ｆａｎ−ｏｕｔ）光学系に接合されてもよい。ファンアウト光学系は、マルチコアファイバーの送出端部のための適切な端部キャップを形成することによって製造されてもよい。端部キャップは、図１２に関して説明された端部キャップと同様であり、レーザービームが個々の光ファイバーから中央終端光学系を介してマルチコアファイバーに通過するように、マルチコアファイバーは中央終端光学系の反対側に融合されている。個々の光ファイバーとマルチコアファイバーとの整列は、終端光学系のいずれかの側に適切に位置されたチャネルを形成することによって実現されてもよい。端部キャップは、レーザー刻印および化学エッチングを使用して、またはファイバーの回りのガラス毛細管を収縮させる上述の方法によって形成されてもよい。
上述の実施形態に対する変更および修正は、本明細書で定義される本発明の範囲から逸脱することなく行うことができることが理解されよう。例えば、レーザースキャナーの使用は積層造形装置に限定されず、レーザースキャナーは、レーザーマーキング装置などの他の装置と共に使用されてもよい。

Claims (15)

  1. レーザービーム位置決め光学系、複数のレーザービームを配送する複数の光ファイバー、および複数の光ファイバーの出力端からレーザービームを前記レーザービーム位置決め光学系に向けるように整列されたファイバー終端光学系を備えるレーザービームスキャナーであって、前記レーザービーム位置決め光学系は、作業面に亘ってレーザービームを走査するために、前記ファイバー終端光学系に対して可動であることを特徴とするレーザービームスキャナー。
  2. 前記終端光学系は、各レーザービームを平行にしおよび／または集束するための複数のレンズを形成する輪郭のある表面を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザービームスキャナー。
  3. 前記終端光学系は、複数の光ファイバーの出力端を保持するためのホルダーに接続され、前記ホルダーは、前記複数の光ファイバーの出力端を受入れ且つ前記終端光学系と共に整列させるための複数のチャネルを備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザービームスキャナー。
  4. 前記終端光学系は、各レーザービームを平行にしおよび／または集束するための複数のレンズを形成する輪郭のある表面を含み、そして前記終端光学系は、光ファイバーの前記チャネルへの挿入が各光ファイバーの出力端を前記輪郭のある表面の対応するレンズの１つに整列させるように、前記ホルダーに接続されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザービームスキャナー。
  5. 前記終端光学系および前記ホルダーは、単一の基板から形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザービームスキャナー。
  6. 前記終端光学系および前記ホルダーは、互いに接続されたときに２つの部分を相対的に配置する位置決め構成を備えている別個の部品であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のレーザービームスキャナー。
  7. 前記ホルダーおよび／または終端光学系は、レーザー刻印および化学エッチングプロセスを使用して形成されることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  8. 前記光ファイバーの前記出力端は、溶接または融合されて、前記終端光学系に接合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  9. 前記レーザービーム位置決め光学系は、前記レーザービームを前記作業面上の異なる位置に向けるための少なくとも１つの傾斜可能なミラーを備え、そして直交する軸の回りに傾斜可能な２つの傾斜可能なミラー、または非直交軸の回りに傾斜可能な２つの傾斜可能なミラーを備え得ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  10. 前記作業面上の前記レーザービームの相対位置を動的に調整するためのレーザービーム調整光学系を備え、前記レーザービーム調整光学系は、複数の個別に変位可能な部分、例えば、ミラー部分を備え得、各変位可能部分は、レーザービームの１つまたはサブセットを操縦するために配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  11. 光ファイバーの出力端は、三角形、六角形、または正方形のパターンなど、レーザービームスキャナーの光軸の回りに回転対称なパターンで配置されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  12. 前記光ファイバーの終端光学系および前記出力端は、前記レーザービームスキャナーの光軸の回りに回転可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  13. 前記レーザービームスキャナーは、前記レーザービーム位置決め光学系の動きを制御するためのコントローラーを備え、前記コントローラーは、前記レーザービーム位置決め光学系を制御して、前記作業面に沿う前記レーザービームの第１のパスによる第１のトラックのセットと、前記作業面に沿う前記レーザービームの第２のパスによる第２のトラックのセットを形成するために、表面に亘って前記レーザービームを走査するように構成されており、前記第２のトラックの１つは前記第１のトラックの１つの間に散在されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナー。
  14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザービームスキャナーを備えていることを特徴とする積層造形装置。
  15. 連続する層について異なる走査方向に延びるトラックに沿ってレーザービームを走査するように、前記レーザービームスキャナーを制御するためのコントローラーを備え、前記コントローラーは、前記レーザービームの異なるサブセットが異なる走査方向に延びるトラックを形成するために使用されるように、前記レーザービームを生成するレーザーを制御するべく、さらに構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の積層造形装置。
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