JP2022503614A - Stacked modeling system with an array of addressable lasers and real-time feedback control of each light source - Google Patents
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
一群のレーザー光源を結合レーザービームに結合するためのアッセンブリが提供される。さらに、青色レーザーダイオードからのレーザービームを結合する青色ダイオードレーザーアレイが提供される。レーザーダイオードのアレイ及びモジュールからの結合された青色レーザービームを使用した、レーザー加工の動作及び応用が提供される。
【選択図】図1
An assembly is provided for coupling a group of laser sources to a coupled laser beam. Further provided is a blue diode laser array that couples a laser beam from a blue laser diode. Laser machining operations and applications using a coupled blue laser beam from an array of laser diodes and modules are provided.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
この本願は、(i)米国特許法第35条§119(e)(1)に基づき、2018年9月1日に出願された米国仮出願第62/726,234の出願日の利益及び優先権の利益を主張し、その開示全体が参照によりここに組み込まれる。 This application is based on (i) Article 35 §119 (e) (1) of the US Patent Act, and the benefits and priorities of the filing date of US provisional application No. 62 / 726,234 filed on September 1, 2018. Claim the interests of the right and the entire disclosure is incorporated herein by reference.
本願発明は、レーザービームを結合するためのアレイアッセンブリに関し、特に、製造、製作、娯楽、グラフィックス、映像、分析、監視、組み立て、歯科、及び医療の分野におけるシステム及び用途での使用のための高輝度レーザービームを提供することができるアレイアッセンブリに関する。 The present invention relates to an array assembly for coupling laser beams, especially for use in systems and applications in the fields of manufacturing, production, entertainment, graphics, video, analysis, surveillance, assembly, dentistry, and medical. With respect to an array assembly capable of providing a high intensity laser beam.
多くのレーザー、特に、レーザーダイオードなどの半導体レーザーは、非常に望ましい波長、及び輝度を含むビーム品質、を有するレーザービームを提供する。このようなレーザーは、可視領域、UV領域、IR領域、及びそれらの組み合わせの波長、並びにより高いか又は低い波長を有する。半導体レーザー及び他のレーザー光源、例えばファイバーレーザーの技術は、新規なレーザー光源が継続的に開発されて急速に進化していて、既存の及び新規なレーザー波長を提供している。これらのレーザーの多くは、望ましいビーム品質を有してはいるが、望ましいか又は特定の用途において必要とあるレーザー出力よりも低いレーザー出力を有している。よって、低出力であることにより、これらのレーザー光源により大きな実用性及び商業的用途が見出されることが妨げられてきた。 Many lasers, especially semiconductor lasers such as laser diodes, provide laser beams with highly desirable wavelengths and beam qualities, including brightness. Such lasers have wavelengths in the visible region, UV region, IR region, and combinations thereof, as well as higher or lower wavelengths. The technology of semiconductor lasers and other laser light sources, such as fiber lasers, is rapidly evolving with the continuous development of new laser light sources to provide existing and new laser wavelengths. Many of these lasers have the desired beam quality, but have a lower laser power than the one desired or required for a particular application. Therefore, the low power has prevented these laser light sources from finding great practical and commercial applications.
加えて、これらのタイプのレーザーを組み合わせる従来の努力は、いろいろある中でも数例を挙げると、ビームアライメントの困難性、利用中にビームがアライメントされた状態に維持することの困難性、ビーム品質の低下、レーザー光源の特定の配置の困難性、大きさの検討、及び出力管理、の理由で概して不十分であった。 In addition, traditional efforts to combine these types of lasers include, to name a few, the difficulty of beam alignment, the difficulty of keeping the beam aligned during use, and the beam quality. It was generally inadequate because of degradation, difficulty in specific placement of the laser source, size considerations, and power control.
ガルバノメータースキャナーを使用した(例えば波長700nmよりも大きな波長、特に1、000nmよりも大きな波長を有する)赤外(IR)ベースの積層造形システムは、とりわけ、2つの短所、すなわち造形体積と造形速度とが制限されるという短所を抱えている。このようなIRレーザーシステムにおいて、造形体積はスキャニングシステムの限界サイズ、並びに所定の焦点距離のコリメートレンズ及びfθレンズに対して作られるスポットによって制限される。例えば、焦点距離140mmのコリメートレンズと焦点距離500mmのfθレンズを使用した場合には、1μmレーザーに対するスポットサイズは回折限界シングルモードレーザーで約40μmである。これは、粉末層上に約175mm×175mmのアドレス可能(addressable)なフットプリントを与え、これが造形可能な部品サイズの限界となる。IRレーザーシステムにおける造形速度に関する第2の制限は、粉末材料によるレーザービームの吸収である。大抵の原材料は、赤外スペクトラム中の波長に対して中程度から高い反射性を有する。結果として、赤外レーザーエネルギーの粉末層への結合は、そのエネルギーのかなりの部分が粉末層から離れて又は後方に若しくは粉末層内にさらに深く反射された状態となり、制限される。これらの制限はさらに一緒に関連付けられるか又は結び付けられて、IR積層システムの問題や欠点を悪化させる。よって、赤外光の有限な侵入深さは、最適な層の厚さを決定し、結果として、解像度及びプロセスの速度を制限する。これらの及び他のIRベースの製造及び造形システム並びにプロセスの欠点は、適切に対処されてこなかった。よって、積層造形システム及びプロセスにおける改善の長年の需要が満たされていない。 Infrared (IR) -based stacked modeling systems using galvanometer scanners (eg, having wavelengths greater than 700 nm, especially wavelengths greater than 1,000 nm) have two disadvantages: build volume and build speed, among others. Has the disadvantage of being restricted. In such an IR laser system, the build volume is limited by the limit size of the scanning system, as well as the spots created for the collimated and fθ lenses of a given focal length. For example, when a collimated lens having a focal length of 140 mm and an fθ lens having a focal length of 500 mm are used, the spot size for a 1 μm laser is about 40 μm for a diffraction-limited single-mode laser. This provides an addressable footprint of approximately 175 mm x 175 mm on the powder layer, which limits the size of the part that can be modeled. The second limitation on build speed in IR laser systems is the absorption of the laser beam by the powder material. Most raw materials have moderate to high reflectivity for wavelengths in the infrared spectrum. As a result, the binding of infrared laser energy to the powder layer is limited, with a significant portion of that energy reflected away from or behind the powder layer or deeper into the powder layer. These limitations are further associated or combined together to exacerbate the problems and shortcomings of IR laminated systems. Thus, the finite penetration depth of infrared light determines the optimum layer thickness and, as a result, limits the resolution and process speed. The shortcomings of these and other IR-based manufacturing and modeling systems and processes have not been adequately addressed. Therefore, the long-standing demand for improvements in laminated modeling systems and processes has not been met.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「青色レーザービーム」、「青色レーザー」、及び「青色」は、最も広い意味を与えられるべきであり、また概してレーザービーム、レーザービーム、レーザー光源、例えば、400nmから500nm及び約400nmから約500nmの波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝搬させる、レーザー及びダイオードレーザーを提供するシステムを参照する。青色レーザーは、450nm、約450nm、460nm、約460nmの波長を含む。青色レーザーは、約10pmから約10nm、約5nm、約10nm、及び約20nm、並びにより大きな値及び同様な値のバンド幅を有し得る。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "blue laser beam", "blue laser", and "blue" should be given the broadest meaning and are generally laser beams, laser beams, lasers. Refer to a system that provides a light source, eg, a laser beam or light having a wavelength of 400 nm to 500 nm and a wavelength of about 400 nm to about 500 nm, and provides a laser and a diode laser that propagates, for example. The blue laser includes wavelengths of 450 nm, about 450 nm, 460 nm, and about 460 nm. Blue lasers can have bandwidths from about 10 pm to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger and similar values.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「UV」、「紫外」、「UVスペクトラム」、「スペクトラムのUV部分」、及び同様な用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、約10nmから約400nm、及び10nmから400nmの波長の光を含む。 As used herein, unless otherwise stated, "UV", "ultraviolet", "UV spectrum", "UV portion of spectrum", and similar terms should be given the broadest meaning and are about. Includes light with wavelengths from 10 nm to about 400 nm and from 10 nm to 400 nm.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「可視」、「可視スペクトラム」、「スペクトラムの可視部分」、及び同様な用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、約380nmから約750nm、及び400nmから700nmの波長の光を含む。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "visible", "visible spectrum", "visible portion of spectrum", and similar terms should be given the broadest meaning, from about 380 nm to about. Includes light with wavelengths of 750 nm and 400 nm to 700 nm.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「緑色レーザービーム」、「緑色レーザー」、及び「緑色」は、最も広い意味を与えられるべきであり、また概してレーザービーム、レーザービーム、レーザー光源、例えば、500nmから700nm及び約500nmから約700nmの範囲の波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝搬させる、レーザー及びダイオードレーザーを提供するシステムを参照する。緑色レーザーは、515nm、約515nm、550nm、約550nmの波長を含む。緑色レーザーは、約10pmから約10nm、約5nm、約10nm、及び約20nm、並びにより大きな値及び同様な値のバンド幅を有し得る。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "green laser beam", "green laser", and "green" should be given the broadest meaning and are generally laser beams, laser beams, lasers. Reference is made to a system that provides a light source, eg, a laser beam or light having a wavelength in the range of 500 nm to 700 nm and about 500 nm to about 700 nm, providing, for example, propagating, a laser and a diode laser. The green laser includes wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 550 nm and about 550 nm. Green lasers can have bandwidths from about 10 pm to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger and similar values.
概して、本明細書で使用する場合、用語「約」及び記号「~」は、特に明記しない限り、±10%の変化又は範囲、上述の値を取得するのに関連した実験的又は装置的エラー、及び好ましくはそれらのより大きな変化又は範囲を包含する。 In general, as used herein, the terms "about" and the symbol "~" are, unless otherwise specified, a ± 10% change or range, an experimental or instrumental error associated with obtaining the above values. , And preferably include those larger changes or ranges.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、室温は25℃である。また、標準環境温度及び標準環境圧力は25℃及び1気圧である。特に明記しない限り、全てのテスト、テスト結果、物理的特性、並びに温度依存性の値、圧力依存性の値、又はそれら両方に依存する値は、標準環境温度及び標準環境圧力で与えられ、これには粘度も含まれうる。 As used herein, room temperature is 25 ° C., unless otherwise stated. The standard environmental temperature and standard environmental pressure are 25 ° C. and 1 atm. Unless otherwise stated, all tests, test results, physical properties, and temperature-dependent, pressure-dependent, or both-dependent values are given at standard environmental temperature and standard environmental pressure. Can also include viscosity.
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、ここでの値の範囲の列挙は、単にその範囲内に含まれるそれぞれ別個の値を個別に参照する簡単な方法としての役割を果たしているだけである。本明細書で特に明記しない限り、範囲内のそれぞれの個別の値は、あたかもそれらが本明細書に個別に列挙されているかのように、本明細書内に組み込まれている。 As used herein, unless otherwise stated, the enumeration of a range of values here merely serves as an easy way to individually reference each separate value contained within that range. be. Unless otherwise specified herein, each individual value within the range is incorporated herein as if they were individually listed herein.
典型的には、積層造形において採用されている従来の方法は、液化された粉末を溶かして下層又は基台に融合させる溶接プロセスにおいて、赤外レーザー、及びレーザービームを粉末層の表面に亘ってスキャンするためのガルバノメーターを使用する。このやり方には、加工の速度を決める幾つかの制限がある。例えば、単一のレーザービームが表面をスキャンするために使用され、造形速度はガルバノメーターの最大スキャン速度(7m/秒)によって制限される。製造業者らは、IR技術を強く利用しようとし、典型的には唯一の可視波長であると信じ、よって、2つ以上のIRレーザー/ガルバノメーターをシステムに組み込むことによって、その2つが連動して1つの部品を造形するか、又は独立して動作して複数の部品を並行して造形することができるようにして、この制限を克服するように努めているが、限定的な成功しか得られない。これらの努力は、積層造形システムの処理能力を改善する目的で行なわれるが、もっぱらIRに集中してきており、限定的な成功しか得られてこず、改善された積層造形に対する長年の需要を満たしていない。 Typically, the conventional method employed in laminated molding is an infrared laser, and a laser beam, across the surface of the powder layer in a welding process that melts the liquefied powder and fuses it to the underlying layer or base. Use a galvanometer for scanning. This approach has some limitations that determine the speed of machining. For example, a single laser beam is used to scan the surface and the build speed is limited by the galvanometer's maximum scan speed (7 m / sec). Manufacturers have sought to take advantage of IR technology and believe that it is typically the only visible wavelength, so by incorporating two or more IR lasers / galvanometers into the system, the two work together. We strive to overcome this limitation by allowing one part to be modeled or working independently to form multiple parts in parallel, but with limited success. do not have. While these efforts are aimed at improving the processing power of the laminated build system, they have been focused exclusively on IR, with limited success and meeting the long-standing demand for improved laminated build. do not have.
IRプロセスにおける別の制限の例は、システムをスパッタと部品内の空隙を生じさせるキーホール溶接モードに強制的にさせるレーザースポットの高い強度である。例えば、500mmのfθレンズを用いた場合、IRレーザーは、回折限界赤外レーザーに対して40-50μmのスポットサイズを生成する。レーザービームが100ワットの光出力で動作している場合には、ビームの強度はキーホール溶接モードを開始するのに要求される強度よりも大きい。キーホール溶接モードは蒸発した材料のプルームを生じさせ、このプルームは交差噴流によってレーザービームの経路の外に取り除かれなければならず、さもなければレーザービームは蒸発した金属によって散乱及び吸収される。また、溶接のキーホールモードは液体金属の表面に穴を形成し、穴は蒸発した金属の蒸気圧によって維持されるため、蒸発した金属をキーホールから放出する。この材料はスパッタと呼ばれ、溶けた材料が造形平面上の他の場所に堆積する結果となり、これが最終製品に欠陥を生じさせ得る。積層造形システムの製造業者らは、ラピッドプロトタイピング装置の開発において限定的な成功しか得られておらず、長年の需要を満たして商業的な又は実際の部品を製造するのに必要な要求を達成していない。これを達成するためには、部品のパターニング方法において本発明以前には成し遂げられていない飛躍的進歩が必要である。 Another example of the limitation in the IR process is the high intensity of the laser spot that forces the system into a keyhole welding mode that spatters and creates voids in the part. For example, when using a 500 mm fθ lens, the IR laser produces a spot size of 40-50 μm with respect to the diffraction limited infrared laser. When the laser beam is operating at a light output of 100 watts, the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode gives rise to a plume of evaporated material, which must be removed out of the path of the laser beam by a cross jet, otherwise the laser beam is scattered and absorbed by the evaporated metal. Also, in the keyhole mode of welding, a hole is formed on the surface of the liquid metal, and the hole is maintained by the vapor pressure of the evaporated metal, so that the evaporated metal is discharged from the keyhole. This material is called spatter and results in the melted material depositing elsewhere on the build plane, which can cause defects in the final product. Manufacturers of laminated build systems have had limited success in developing rapid prototyping equipment to meet long-standing demand and meet the requirements needed to manufacture commercial or actual parts. Not done. Achieving this requires breakthroughs in the method of patterning parts that have not been achieved prior to the present invention.
概して、IRプロセス及びシステムに関する問題及び欠点は、キーホール溶接モードで粉末を融合するための要件又は要求である。これは、典型的には、単一ビームを粉末の加工に使用することによるものである。レーザービームが100ワットの光出力で動作している場合には、ビームの強度はキーホール溶接モードを開始するのに要求される強度よりも大きい。キーホール溶接モードは蒸発した材料のプルームを生じさせ、このプルームは交差噴流によってレーザービームの経路の外に取り除かれなければならず、さもなければレーザービームは蒸発した金属によって散乱及び吸収される。また、溶接のキーホールモードは液体金属の表面に穴を形成し、穴は蒸発した金属の蒸気圧によって維持されるため、蒸発した金属のような材料はキーホールから放出される。この材料はスパッタと呼ばれ、溶けた材料が造形平面上の他の場所に堆積する結果となり、これが最終製品に欠陥を生じさせ得る。 In general, problems and drawbacks with IR processes and systems are the requirements or requirements for fusing powders in keyhole welding mode. This is typically due to the use of a single beam for processing the powder. When the laser beam is operating at a light output of 100 watts, the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode gives rise to a plume of evaporated material, which must be removed out of the path of the laser beam by a cross jet, otherwise the laser beam is scattered and absorbed by the evaporated metal. Also, the keyhole mode of welding forms holes in the surface of the liquid metal, which are maintained by the vapor pressure of the evaporated metal, so that materials such as evaporated metal are discharged from the keyholes. This material is called spatter and results in the melted material depositing elsewhere on the build plane, which can cause defects in the final product.
オプティカリー・アクティベイテッド・ライト・バルブ(Optically Activated Light Valve)(OALV)を使用したローレンス・リバモア国立研究所(Lawrence Livermore National Laboratories)による最近の研究では、これらのIRの制限を対処する試みがなされた。OALVは、高出力レーザーを用いて光パターンを生成するために使用される高出力空間光変調器である。OALV上のパターンはプロジェクターからの青色LED又はレーザー光源で作り出され、4つのレーザーダイオードアレイからの出力は空間光変調器を介して伝送されて画像を融点にまで加熱するために使用され、キーホール溶接を開始するためにQスイッチIRレーザーが必要とされる。IRレーザーは、キーホールモードにおいて溶接を開始するために使用され、特に銅又はアルミニウム材料を融合するときに、これらの材料に対して必要とされる。このキーホール溶接プロセスは、スパッタ及び部品内の空隙、並びに大きな表面粗さを生じさせうる。このキーホール溶接プロセスは、通常、スパッタ、部品内の空隙、及び大きな表面粗さを生じさせる。よって、OALVシステムは、典型的なIRシステムと同様に、造形プロセスのキーホール開始の副作用を排除していない。キーホール溶接ステップを完全に避けるのが良いが、技術はこの問題に打ち勝つことができておらず、またこの解決策をもたらしていない。この欠点は主として、多くの金属のIR波長での吸収特性がとても低く、プロセスを開始するのに高いピーク出力のレーザーが必要とされるために生じる。OALVはスペクトラムのIR領域においてのみ透過的であるので、高エネルギー光源として可視レーザー光源を使用するこのタイプのシステムを構築又は使用することは適切ではない。このシステムの部品のコスト、とりわけカスタムコンポーネントであるOALVは、非常に高い。 A recent study by the Lawrence Livermore National Laboratories using an Optically Activated Light Valve (OALV) attempted to address these IR limitations. rice field. OALV is a high power spatial light modulator used to generate light patterns using a high power laser. The pattern on the OALV is produced by a blue LED or laser light source from the projector, and the output from the four laser diode arrays is transmitted via a spatial light modulator and used to heat the image to its melting point, keyholes. A Q-switched IR laser is required to initiate welding. IR lasers are used to initiate welding in keyhole mode and are required for these materials, especially when fusing copper or aluminum materials. This keyhole welding process can cause spatter and voids in the part, as well as large surface roughness. This keyhole welding process usually results in spatter, voids in the part, and large surface roughness. Therefore, the OALV system, like a typical IR system, does not eliminate the side effect of keyhole initiation in the modeling process. It is good to avoid the keyhole welding step altogether, but the technology has not been able to overcome this problem and has not provided this solution. This drawback is primarily due to the very low absorption properties of many metals at IR wavelengths and the need for high peak power lasers to initiate the process. Since OALV is transparent only in the IR region of the spectrum, it is not appropriate to build or use this type of system using a visible laser light source as a high energy light source. The cost of the components of this system, especially the custom component OALV, is very high.
従来の金属ベースの積層造形装置は、粉末層の中にバインダーを噴霧し次いで高温での圧密ステップを行なうこと、又はガルバノメーターシステムによって高出力シングルモードレーザービームで粉末層上を高速にスキャンすること、の何れかを基本としている点で非常に制限される。これらの両方のシステムは、技術が克服することができなかった重大な欠点を有する。前者のシステムは、部品の大量生産が可能であるが、それは圧密プロセス中の部品の収縮による大きな公差を有する。後者のプロセスは、使用可能な最大出力レベルレーザーが制限されるガルバノメーターのスキャン速度によって造形速度が制限され、結果として造形速度が制限される。スキャンベースの積層造形システムの製造業者らは、複数のスキャンヘッド及びレーザーシステムを備える装置を構築することによってこの制限を克服しようとしてきたが、これはこれらの問題に対する適切な解決策をもたらしていない。これは、確かにスループットを増加させるが、スケーリング則は線形であり、換言すると2つのレーザースキャナーを備えるシステムは1つのスキャナーを備えるシステムに比べて2倍の部品を造形することができるだけであるか、又は1つの部品を2倍の速度で造形することができるだけである。よって、既存のシステムの制限に悩まされることのない、高いスループットのレーザーベースの金属積層造形システムが必要とされている。 Conventional metal-based laminated molding equipment sprays a binder into the powder layer and then performs a consolidation step at high temperature, or scans the powder layer at high speed with a high power single mode laser beam by a galvanometer system. , Is very limited in that it is based on either. Both of these systems have significant drawbacks that the technology could not overcome. The former system allows mass production of parts, but it has large tolerances due to the shrinkage of parts during the consolidation process. In the latter process, the build speed is limited by the galvanometer scan speed, which limits the maximum power level laser that can be used, resulting in a limited build speed. Manufacturers of scan-based stacked build systems have sought to overcome this limitation by building equipment with multiple scan heads and laser systems, but this has not provided a suitable solution to these problems. .. This does increase throughput, but the scaling law is linear, in other words, can a system with two laser scanners only form twice as many parts as a system with one scanner? , Or only one part can be modeled at twice the speed. Therefore, there is a need for a high throughput laser-based metal laminate modeling system that does not suffer from the limitations of existing systems.
背景技術は、本発明の実施形態に関連するであろう技術の様々な態様を紹介することを意図している。よって、この項での上述の記載は本発明をよりよく理解するためのフレームワークを提供しており、従来技術の承認として見なされるべきではない。 The background art is intended to introduce various aspects of the technology that may be relevant to embodiments of the present invention. Therefore, the above description in this section provides a framework for a better understanding of the invention and should not be considered as an approval of the prior art.
とりわけ、望ましい輝度や出力などのビーム品質を維持して向上させながら複数のレーザービーム光源を単一の又は多数のレーザービームに結合するためのアッセンブリ及びシステムに対する、長年にわたる満たされていない要求がある。本願発明は、とりわけ、ここに教示され開示された、物品、装置、及びプロセスの記載を提供することによって、これらの要求を解決する。 In particular, there are long-standing unmet requirements for assemblies and systems for combining multiple laser beam sources into a single or multiple laser beams while maintaining and improving beam quality such as desired brightness and output. .. The invention of the present application solves these requirements, among other things, by providing a description of the articles, devices, and processes taught and disclosed herein.
本発明の一実施形態は、精密ガントリーシステム(図1、2、3)を使用してステップアンドリピートする機能を有し、粉末を並行して直接融合することができるレーザービームの1-D又は2-Dのアレイに基づいた、積層造形システムである。1-D又は2-Dの補助レーザービームを予加熱及び冷却を制御する(図4)ために加えることによって、速度を増加させることができる。この補助レーザーは、造形されるパターンと一致する予加熱パターンを提供するためのレーザービームのアドレス可能なアレイとすることもできる。 One embodiment of the present invention has the ability to step and repeat using a precision gantry system (FIGS. 1, 2, 3) and is a 1-D or 1-D laser beam capable of directly fusing powders in parallel. It is a laminated modeling system based on a 2-D array. The speed can be increased by adding a 1-D or 2-D auxiliary laser beam to control preheating and cooling (FIG. 4). The auxiliary laser can also be an addressable array of laser beams to provide a preheating pattern that matches the pattern to be modeled.
本発明の実施形態の他の要素は、熱探知カメラなどのリアルタイムの温度監視カメラの使用である。カメラは固体から液体に相転移するときに粉末層の温度をリアルタイムで監視するために使用することができ、カメラ上での画像はレーザーパターンが印加された状態で補正することができ、個別のレーザービームの出力レベルはプリントされる部品の適切な融合と冷却を提供するための所定の要求にしたがって調整することができる。この温度の閉ループ制御は、製造された部品の空隙を最小化したり、表面粗さを最適化したり、部品内の残留応力を最小化したりするなどの、追加的な利点を提供する。 Another element of the embodiment of the invention is the use of a real-time temperature monitoring camera such as a thermal detection camera. The camera can be used to monitor the temperature of the powder layer in real time during the phase transition from solid to liquid, and the image on the camera can be corrected with the laser pattern applied, individually. The output level of the laser beam can be adjusted according to certain requirements to provide proper fusion and cooling of the printed parts. This closed loop control of temperature provides additional advantages such as minimizing voids in manufactured parts, optimizing surface roughness, and minimizing residual stress in parts.
本発明の一実施形態においては、プリントプロセス中に粉末をリアルタイムで何れかの方向に堆積し、さらに粉末層を圧搾して粉末層の空隙を最小化するための手段が含まれる。粉末を溶かして融合するための主な過程は、キーホールモード溶接が利用されるガルバノメータースキャンシステムに対して、伝導モード溶接であろう。この手法は、スパッタを最小限にし、また窓や製造された部品の光学素子を保護することの必要性を最小限にする。 One embodiment of the invention includes means for depositing powder in either direction in real time during the printing process and further squeezing the powder layer to minimize voids in the powder layer. The main process for melting and fusing powders will be conduction mode welding for galvanometer scan systems where keyhole mode welding is utilized. This technique minimizes spatter and also minimizes the need to protect the optics of windows and manufactured components.
一実施形態において、本発明は、無酸素環境を形成するための密封筐体と、使用されたガス混合物を継続的に清掃するガスのための再循環システムとを含む。空中浮遊粉末及び溶接ヒュームは、環境中から除去されなければ、画像の品質に影響を与え始め、結果として造形される部品の品質に影響を与えるため、ガス混合物のフィルタリングが必要である。 In one embodiment, the invention includes a sealed enclosure for forming an oxygen-free environment and a recirculation system for the gas that continuously cleans the gas mixture used. Airborne powder and weld fume, if not removed from the environment, will begin to affect the quality of the image and will affect the quality of the resulting parts, so filtering of the gas mixture is necessary.
一実施形態において、本発明は、事前の造形分析、部品の薄片への分割、及び最適造形計画の決定を行なう、マイクロプロセッシングシステムを含む。部品のパターンの各部分が印刷されると、ガントリーシステムは、そのパターンの次に隣接する部分に移動するか、又は造形計画が部品の残留応力を最小限にするために部分的なパターンのランダムなプリントを要求している場合には、何れかの任意の位置に移動するように命令される。 In one embodiment, the invention includes a microprocessing system that performs prior modeling analysis, division of parts into flakes, and determination of optimal modeling plans. When each part of the pattern of a part is printed, the gantry system moves to the next adjacent part of the pattern, or the sculpting plan randomizes the partial pattern to minimize residual stress in the part. If you are requesting a print, you will be instructed to move to any position.
一実施形態において、本発明はまた、溶接の金属だまりを見つけるための単なる可視カメラ以外の溶接モニターは必要無いであろう。キーホール溶接モードはないので、銅及びアルミニウムを溶接しているときであっても溶接の金属だまりは非常に安定しており、これはIRレーザー光源では不可能なことである。キーホールの正確な出現、及びキーホールモードの不安定な性質に伴い部品の造形がどのように進行しているのかを取得するために、IRレーザー光源は、光コヒーレント・トモグラフィー(OCT)スキャナーのような溶接モニターに頼らざるを得ない。粉末をベース材料に溶接する伝導モードは非常に安定した溶接モードであるので、スパッタが生じず、溶接された粉末は厚さおよび形状が非常に均一であり、部品の密度は溶接プロセスの材料の蒸発の欠如のために100%である。 In one embodiment, the invention will also not require a weld monitor other than a mere visible camera to find metal pools in the weld. Since there is no keyhole welding mode, the metal pool in the weld is very stable even when welding copper and aluminum, which is not possible with IR laser light sources. In order to capture the exact appearance of keyholes and how the shaping of parts is progressing due to the unstable nature of keyhole modes, the IR laser source is an optical coherence tomography (OCT) scanner. I have to rely on such a welding monitor. The conduction mode in which the powder is welded to the base material is a very stable welding mode, so no spatter occurs, the welded powder is very uniform in thickness and shape, and the density of the parts is that of the material of the welding process. 100% due to lack of evaporation.
よって、上述の特徴の1つ以上を有する積層造形のシステム、プロセス、及びレーザーシステムが提供される。また、上述の特徴の1つ以上を以下のレーザーシステム及び方法との組み合わせで有する、レーザーシステム、並びに積層造形のシステム、プロセス及びレーザーシステムを提供する。 Thus, a laminated modeling system, process, and laser system having one or more of the features described above is provided. Also provided are laser systems, as well as laminated modeling systems, processes and laser systems that have one or more of the above features in combination with the following laser systems and methods.
よって、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムを提供し、そのシステムは:複数のレーザーダイオードアッセンブリであって;各レーザーダイオードアッセンブリが個別の青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って生成することができる複数のレーザーダイオードを有する、複数のレーザーダイオードアッセンブリと;ターゲット材料に送達するために光ファイバーに結合されうる、遠視野内に単一スポットを有する結合したレーザービームを作るために、個別の青色レーザービームを空間的に結合するための手段と、を有し;個別の青色レーザービームをレーザービーム経路上で空間的に結合するため手段は各レーザーダイオードと光学的に関連する。 Thus, it provides a laser system for performing laser operation, the system being: multiple laser diode assemblies; each laser diode assembly can generate a separate blue laser beam along the laser beam path. With multiple laser diode assemblies with multiple laser diodes; separate blue laser beams to create a combined laser beam with a single spot in the distant field that can be coupled to the optical fiber for delivery to the target material. With means for spatially coupling; the means for spatially coupling individual blue laser beams on the laser beam path are optically associated with each laser diode.
また、以下の特徴の1つ以上を有する方法システムを提供する:少なくとも3つのレーザーダイオードアッセンブリを有する;各レーザーダイオードアッセンブリが少なくとも1つのレーザーダイオードを有する;レーザーダイオードアッセンブリが少なくとも約2ワットの総合出力及び20mm・mrad未満のビームパラメータ特性を有するレーザービームを伝搬させることができる;ビームパラメータ特性が、15mm・mrad未満である;ビームパラメータ特性が、10mm・mrad未満である;空間的に結合するための手段が、個別のレーザービームのN倍の出力密度の結合レーザービームを生成する;Nがレーザーダイオードアッセンブリにおけるレーザーダイオードの数である;空間的に結合するための手段が、結合レーザービームの輝度を保ちながらレーザービームの出力を増加させる;結合レーザービームが、個別のレーザービームの出力の少なくとも50倍の出力を有し、それにより結合レーザービームのビームパラメータ積が、個別のレーザービームのビームパラメータ積のN倍よりも大きくない;結合レーザービームのビームパラメータ積が、個別のレーザービームのビームパラメータ積の1.5×N倍よりも大きくない;結合レーザービームのビームパラメータ積が、個別のレーザービームのビームパラメータ積の1×N倍よりも大きくない;空間的に結合するための手段が、個別のレーザービームの輝度を保ちながら合成レーザービームの出力密度を増加させる;結合レーザービームが個別のレーザービームの出力の少なくとも100倍である出力密度を有し、それにより結合レーザービームのビームパラメータ積が個別のレーザービームのビームパラメータ積の2×N倍より大きくない;結合レーザービームのビームパラメータ積が、個別のレーザービームのビームパラメータ積の1.5×N倍よりも大きくない;結合レーザービームのビームパラメータ積が、個別のレーザービームのビームパラメータ積の1×N倍よりも大きくない;光ファイバーが耐ソラリゼーションである;空間的に結合するための手段が、レーザーダイオードの位置誤差又はレーザーダイオードの指示誤差の少なくとも1つを補正するための、位置合わせ平面平行プレートとウェッジとからなる群から選択された光学アセンブリを有する;空間的に結合するための手段が、結合レーザービームの実効輝度を個別のレーザービームよりも増加させることが可能である偏光ビーム結合器である;レーザーダイオードアッセンブリが、個別のレーザービーム経路を、それぞれの経路の間に空間を空けて画定し、それにより個別のレーザービームがそれぞれのビームの間に空間を有する;空間的に結合するための手段が、個別のレーザービームをレーザーダイオードの速軸にコリメートするためのコリメータと、コリメートされたレーザービームを結合するための周期的ミラーとを有し、周期的ミラーが、レーザーダイオードアッセンブリにおける第1のダイオードからの第1のレーザービームは反射し、レーザーダイオードアッセンブリにおける第2のダイオードからの第2のレーザービームは伝送するようにされ、個別のレーザービームの間の第1方向での空間が満たされる;空間的に結合するための手段が、ガラス基板上にパターン化されたミラーを有する;ガラス基板が、レーザーダイオードの間の空いた空間を満たすためにレーザーダイオードからのレーザービームの垂直位置を移動させるのに十分な厚さのものである;階段状のヒートシンクを有する。 It also provides a method system with one or more of the following features: having at least three laser diode assemblies; each laser diode assembly having at least one laser diode; the laser diode assembly having a total output of at least about 2 watts. And can propagate a laser beam with a beam parameter characteristic of less than 20 mm mrad; the beam parameter characteristic is less than 15 mm mrad; the beam parameter characteristic is less than 10 mm mrad; because of spatial coupling. Means generate a coupled laser beam with an output density N times that of the individual laser beams; N is the number of laser diodes in the laser diode assembly; the means for spatially coupling is the brightness of the coupled laser beam. Increase the output of the laser beam while preserving; the combined laser beam has an output of at least 50 times the output of the individual laser beams so that the beam parameter product of the combined laser beam is the beam parameters of the individual laser beams. Not greater than N times the product; the beam parameter product of the combined laser beam is not greater than 1.5 x N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is the individual lasers. Not greater than 1 × N times the beam parameter product of the beam; means for spatially coupled to increase the output density of the combined laser beam while preserving the brightness of the individual laser beams; It has an output density that is at least 100 times the output of the laser beam, so that the beam parameter product of the combined laser beam is not greater than 2 x N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam. Is not greater than 1.5 × N times the beam parameter product of the individual laser beams; the beam parameter product of the combined laser beam is not greater than 1 × N times the beam parameter product of the individual laser beams; optical fiber. Is solarization resistant; the means for spatial coupling is selected from the group consisting of aligned plane parallel plates and wedges to compensate for at least one of the laser diode positional errors or laser diode pointing errors. It has an optical assembly; the means for spatially coupling the effective brightness of the coupled laser beam individually. It is a polarized beam coupler that can be increased more than the laser beam of the Has a space between each beam; the means for spatially coupling is a collimator for collimating the individual laser beams to the fast axis of the laser diode and a period for coupling the collimated laser beams. The periodic mirror has such that the first laser beam from the first diode in the laser diode assembly is reflected and the second laser beam from the second diode in the laser diode assembly is transmitted. The space in the first direction between the individual laser beams is filled; the means for spatially coupling has a patterned mirror on the glass substrate; the glass substrate is between the laser diodes. It is thick enough to move the vertical position of the laser beam from the laser diode to fill the empty space of the; it has a stepped heat sink.
またさらに、高輝度高出力レーザービームを提供するレーザーシステムを提供し、このシステムは:複数のレーザーダイオードアッセンブリであって;各レーザーダイオードアッセンブリが、初期輝度を有する青色レーザービームを生成することができる複数のレーザーダイオードを有する複数のレーザーダイオードアッセンブリと;最終輝度を有し単一光ファイバー内に結合される遠視野内のスポットを形成する結合レーザービームを作るために、青色レーザービームを空間的に結合するための手段と、を有し;各レーザーダイオードが、外部空洞によって異なる波長にロックされて、結合レーザービームの輝度を大幅に増加させ、結合レーザービームの最終輝度が単一レーザーダイオードからのレーザービームの初期輝度とおよそ同じである。 Furthermore, it provides a laser system that provides a high-intensity, high-power laser beam, which is: multiple laser diode assemblies; each laser diode assembly can generate a blue laser beam with initial brightness. With multiple laser diode assemblies with multiple laser diodes; spatially coupled blue laser beams to create a coupled laser beam that has final brightness and forms spots in the far field that are coupled within a single optical fiber. Each laser diode is locked to a different wavelength by the external cavity, which greatly increases the brightness of the coupled laser beam and the final brightness of the combined laser beam is the laser from a single laser diode. It is about the same as the initial brightness of the beam.
また、以下の特徴の少なくとも1つを有する方法及びシステムを提供する:各レーザーダイオードが回折格子に基づいて外部空洞を使用して単一波長にロックされ、レーザーダイオードアッセンブリのそれぞれが、狭い間隔の光学フィルターと回折格子とからなる群から選択された結合手段を使用して、結合ビームに結合される;ラマン変換器は、より高い輝度の光源を作り出すための純粋な溶融石英シリカのコアと、空気又は青色ポンプ光を包含する低分子量ポリマーのいずれかによって囲まれた外側コアと、を有する光ファイバーである;ラマン変換器は、GeO2がドープされた中央コアを外側コアとともに有する光ファイバーのようなラマン変換器をポンプしてより高い輝度の光源を作り出すために使用され、外側コアは中央コアよりも大きくされて青色ポンプ光を包含する;ラマン変換器は、より高い輝度の光源を作り出すためのP2O5がドープされたコアと、中央コアよりも大きくされて青色ポンプ光を包含するための外側コアとを有する光ファイバーである;ラマン変換器は、より高い輝度の光源を作り出すための屈折率分布型コアと、中央コアよりも大きくされて青色ポンプ光を包含する外側コアと、を有する光ファイバーである;ラマン変換器は、屈折率分布型のGeO2がドープされたコア及び外側のステップ型コアである;ラマン変換器は、屈折率分布型のP2O5がドープされたコア及び外側のステップ型コアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される;ラマン変換器は、屈折率分布型のGeO2がドープされたコアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される;ラマン変換器は、屈折率分布型のP2O5がドープされたコア及び外側ステップ型コアである;ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのダイアモンドである;ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのKGWである;ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのYVO4である;ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのBa(NO3)2である;ラマン変換器は、より高い輝度のレーザー光源を作り出すための高圧ガスである。 It also provides methods and systems with at least one of the following features: each laser diode is locked to a single wavelength using an external cavity based on a diffraction grid, and each of the laser diode assemblies is closely spaced. It is coupled to the coupled beam using a coupling means selected from the group consisting of optical filters and diffractive grids; An optical fiber with an outer core surrounded by either air or a low molecular weight polymer containing blue pump light; a Raman converter is like an optical fiber having a GeO 2 doped central core with the outer core. Used to pump a Raman converter to create a brighter light source, the outer core is larger than the central core to include blue pump light; the Raman converter is used to create a higher brightness light source. An optical fiber with a P2O5 doped core and an outer core that is larger than the central core to contain the blue pump light; the Raman converter is a refraction to create a higher brightness light source. An optical fiber having a rate distribution core and an outer core that is larger than the central core and contains blue pump light; the Raman converter is a refractive index GeO 2 doped core and outer step. The type core; the Raman converter is used to pump the raman converter fiber, which is a refractive index distributed P2O5 doped core and an outer stepped core; the Raman converter. The Raman converter fiber, which is a refractive index distributed GeO 2 doped core, is used to pump; the Raman converter is a refractive index distributed P 2 O 5 doped core and outer step type. The core; the Raman converter is a diamond for producing a higher brightness laser light source; the Raman converter is a KGW for producing a higher brightness laser light source; the Raman converter is a higher brightness. The Raman converter is Ba (NO 3) 2 for producing a higher brightness laser light source; the Raman converter is for producing a higher brightness laser light source. High pressure gas.
またさらに、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムを提供し、このシステムは:複数のレーザーダイオードアッセンブリであって;各レーザーダイオードアッセンブリが青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って生成することができる複数のレーザーダイオードを有する、複数のレーザーダイオードアッセンブリと;ラマン変換器に光学的に結合できる遠視野内の単一スポットを有する結合レーザービームを作り、ラマン変換器をポンプして、結合レーザービームの輝度を増加させるための、青色レーザービームを空間的に結合するための手段と、を有する。 Furthermore, it provides a laser system for performing laser operation, which is: multiple laser diode assemblies; each laser diode assembly can generate a blue laser beam along the laser beam path. With multiple laser diode assemblies, which have a laser diode in the With means for spatially coupling the blue laser beam, to increase.
加えて、結合レーザービームを提供する方法を提供し、この方法は、青色レーザービームを個別の異なる波長で生成し、レーザービームを結合して、元の光源の空間輝度を保ちながらより高い出力の光源を作り出すためのラマン変換レーザーのアレイを有する。 In addition, it provides a method of providing a coupled laser beam, which produces a blue laser beam at different wavelengths individually and combines the laser beams to achieve higher output while preserving the spatial brightness of the original light source. It has an array of Raman conversion lasers to create a light source.
またさらに、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムを提供し、このシステムは:複数のレーザーダイオードアッセンブリであって;各レーザーダイオードアッセンブリが、青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って生成することができる複数のレーザーダイオードを有する、複数のレーザーダイオードアッセンブリと;レーザービーム経路に沿って配置され、結合レーザービームを提供することができるビームコリメート光学素子及びビーム結合光学素子と;結合レーザービームを受光する光ファイバーと、を有する。 Furthermore, it provides a laser system for performing laser operation, which is: multiple laser diode assemblies; each laser diode assembly can generate a blue laser beam along the laser beam path. With multiple laser diode assemblies having multiple laser diodes; with beam collimating and beam coupling optics that are located along the laser beam path and can provide coupled laser beams; optical fibers that receive the coupled laser beam. And have.
また、以下の特徴の1つ以上を有する方法及びシステムを提供する:光ファイバーが、希土類元素がドープされたファイバーと光学的に連通しており、それにより結合レーザービームは、希土類元素がドープされたファイバーをポンピングしてより高い輝度のレーザー光源を作り出すことができ;光ファイバーは、輝度変換器の外側コアと光学的に連通しており、結合レーザービームは、輝度変換器の外側コアをポンピングしてより大きな比率の輝度増大を生じさせることができる。 It also provides a method and system having one or more of the following features: an optical fiber is optically communicated with a fiber doped with a rare earth element so that the combined laser beam is doped with a rare earth element. Fibers can be pumped to create a brighter laser source; the optical fiber is optically communicated with the outer core of the brightness converter, and the coupled laser beam pumps the outer core of the brightness converter. A greater proportion of brightness increase can occur.
またさらに、ラマンファイバーを提供し、このラマンファイバーは:二重コアであって二重コアの一方は高輝度中央コアである、二重コアと;フィルター、ファイバーブラッグ回折格子、1次ラマン信号と2次ラマン信号に対するV数の相違、ファイバー長さ又は空洞ミラーによる1次ラマン信号と2次ラマン信号に対する往復ゲインの相違、及びマイクロベンド損失の相違からなる群から選択された、高輝度中央コアにおいて2次ラマン信号を抑制するための手段と、を有する。 Furthermore, it also provides a Raman fiber, which is: a dual core and one of the dual cores is a high-intensity central core, with a dual core; with a filter, a fiber Bragg diffraction grating, and a primary Raman signal. High-brightness central core selected from the group consisting of differences in V number for the secondary Raman signal, differences in fiber length or reciprocating gain for the primary Raman signal due to the cavity mirror, and differences in microbend loss. With means for suppressing the secondary Raman signal.
加えて、第二高調波発生システムを提供し、このシステムは:第1の波長でのラマン変換器であって、非線形結晶中に第1の波長の半分の波長で光を発生させるラマン変換器と;半波長の光が光ファイバーを通って伝搬することを防止するようにされた外部共振倍増結晶(externally resonant doubling crystal)とを有する。 In addition, it provides a second harmonic generation system, which is a Raman converter at the first wavelength, which produces light in a non-linear crystal at half the wavelength of the first wavelength. And; it has an externally incorporated doubling crystal that is designed to prevent half-wavelength light from propagating through the optical fiber.
さらに、以下の特徴の1つ以上を有する方法及びシステムを提供する:第1の波長が約460nmである;外部共振倍増結晶がKTPである;ラマン変換器が、ラマン変換効率を改善するように構成された非円形の外側コアを有する。 Further, a method and system having one or more of the following features are provided: the first wavelength is about 460 nm; the external resonant doubled crystal is KTP; as the Raman transducer improves Raman conversion efficiency. It has a constructed non-circular outer core.
さらに、第三高調波発生システムを提供し、このシステムは:第1の波長でのラマン変換器であって、第1の波長よりも小さい第2の波長で光を発生させるラマン変換器と;低い波長の波長が光ファイバーを通って伝搬することを防止するようにされた外部共振倍増結晶とを有する。 In addition, it provides a third harmonic generation system, which is: a Raman converter at the first wavelength, with a Raman converter that produces light at a second wavelength smaller than the first wavelength; It has an external resonant doubled crystal designed to prevent wavelengths of lower wavelengths from propagating through the optical fiber.
さらに、第四高調波発生システムを提供し、このシステムは、57.5nmの波長の光が光ファイバーを通って伝搬するのを防止するようにされた外部共振倍増結晶を使用して、57.5nmで光を発生させるためのラマン変換器を有する。 In addition, it provides a fourth harmonic generation system, which uses an external resonant doubled crystal designed to prevent light at a wavelength of 57.5 nm from propagating through optical fibers at 57.5 nm. Has a Raman converter to generate light in.
さらに、第二高調波発生システムを提供し、このシステムは、450nmの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムを有する、希土類元素がドープされた輝度変換器を有し、外部共振倍増結晶を使用して、光源レーザーの半分の波長、すなわち236.5nmで光を発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする。 In addition, it provides a second harmonic generation system, which has a rare earth element-doped brightness converter with a turium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes. However, an external resonant doubled crystal is used to generate light at half the wavelength of the light source laser, 236.5 nm, but prevent light of that short wavelength from propagating through the optical fiber.
さらに、第三高調波発生システムを提供し、このシステムは、450nmで青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムを有する、希土類元素がドープされた輝度変換器を有し、外部共振倍増結晶を使用して、118.25nmで光を発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする。 In addition, it provides a third harmonic generation system, which has a rare earth element-doped brightness converter with a turium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of blue laser diodes at 450 nm. Then, an external resonance doubled crystal is used to generate light at 118.25 nm, but the short wavelength light is prevented from propagating through the optical fiber.
さらに、第四高調波発生システムを提供し、このシステムは、450nmで青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムを有する、希土類元素がドープされた輝度変換器を有し、外部共振倍増結晶を使用して、59.1nmで光を発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする。 In addition, it provides a fourth harmonic generation system, which has a rare earth element-doped brightness converter with a turium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of blue laser diodes at 450 nm. An external resonant doubled crystal is used to generate light at 59.1 nm, but the short wavelength light is prevented from propagating through the optical fiber.
さらに加えて、レーザー動作を実行するためのレーザーシステムを提供し、このシステムは:少なくとも3つのレーザーダイオードアッセンブリであって;少なくとも3つのレーザーダイオードアッセンブリのそれぞれが、少なくとも10のレーザーダイオードを有し、少なくとも10のレーザーダイオードのそれぞれが、少なくとも約2ワットの出力、及び8mm・mrad未満のビームパラメータ積をレーザービーム経路に沿って有する青色レーザービームを作り出すことができ、各レーザービーム経路が実質的に平行であり、それによってレーザービーム経路に沿って伝搬するレーザービームの間に空間が画定されるようにされた、少なくとも3つのレーザーダイオードアッセンブリと;少なくとも30のレーザービーム経路の全ての上に配置された、青色レーザービームを空間的に結合してその輝度を保持するための手段であって、レーザービームの第1の軸のためのコリメート光学素子、レーザービームの第2の軸のための垂直プリズムアレイ、及び望遠鏡を有する、空間的に結合して輝度を保持するための手段と、を有し;空間的に結合して保持するための手段が、レーザービームの間の空間をレーザーエネルギーで満たし、それにより少なくとも約600ワットの出力、及び44mm・mrad未満のビームパラメータ積を有する結合レーザービームを提供する。 In addition, it provides a laser system for performing laser operation, which is: at least 3 laser diode assemblies; each of the at least 3 laser diode assemblies has at least 10 laser diodes. Each of the at least 10 laser diodes can produce a blue laser beam with an output of at least about 2 watts and a beam parameter product of less than 8 mm mad along the laser beam path, with each laser beam path substantially. With at least 3 laser diode assemblies that are parallel and thereby demarcate space between the laser beams propagating along the laser beam path; placed on all of at least 30 laser beam paths. Also, a means for spatially coupling a blue laser beam to maintain its brightness, a collimating optical element for the first axis of the laser beam, a vertical prism for the second axis of the laser beam. The means for spatially coupled and retaining the brightness, including the array and the telescope; the means for spatially coupling and retaining fill the space between the laser beams with laser energy. It provides a coupled laser beam with an output of at least about 600 watts and a beam parameter product of less than 44 mm mrad.
またさらに、アドレス可能なアレイレーザー加工システムを提供し、このアドレス可能なアレイレーザー加工システムは:現在記載されたタイプの少なくとも3つのレーザーシステムを有し;少なくとも3つのレーザーシステムのそれぞれが、IR結合レーザービームを単一光ファイバー内に結合するようにされ;それにより少なくとも3つの結合レーザービームのそれぞれがその結合された光ファイバーに沿って伝搬されるようにされ;少なくとも3つの光ファイバーはレーザーヘッドと光学的に関連付けられており;このシステムはさらに制御システムを有し;制御システムは、結合レーザービームのそれぞれをターゲット材料上の所定の位置に送達するための所定のシーケンスを有するプログラムを有する。 Further further, it provides an addressable array laser processing system, which has at least 3 laser systems of the type currently described; each of the at least 3 laser systems is IR coupled. The laser beam is coupled within a single optical fiber; thereby propagating each of at least three coupled laser beams along the coupled optical fiber; at least three optical fibers are optical with the laser head. Associated with; the system further comprises a control system; the control system has a program having a predetermined sequence for delivering each of the coupled laser beams to a predetermined location on the target material.
また、以下の特徴の1つ以上を有するアドレス可能なアレイのための方法及びシステムを提供する:レーザーヘッドからのレーザービームを個別にオンとオフに切り替え、それにより粉末の層上に結合して、粉末を有するターゲット材料を溶かして部品に融合するための所定のシーケンス;レーザーヘッドのファイバーは、線形、非線形、円形、ひし形、四角形、三角形、及び六角形からなる群から選択された配列とされている;レーザーヘッドのファイバーは、2×5、5×2、4×5、少なくとも5×少なくとも5、10×5、5×10、及び3×4からなる群から選択された配列とされている;ターゲット材料は粉末層を有する;レーザーヘッドを粉末層にわたって移動させることができ、それにより粉末層を溶かして融合する、x-y移動システムを有する;レーザー光源の後ろを移動して新たな粉末層を融合した層の後に供給する粉末供給システムを有する;粉末層の表面の上でレーザーヘッドの高さを増加及び減少させるようにレーザーヘッドを移動させるz-移動システムを有する;正のx方向又は負のx方向に進んで、送達されたレーザービームの後に粉末を直接配置することができる双方向粉末配置装置を有する;複数のレーザービーム経路と同軸状である粉末供給システムを有する;重力送り粉末システムを有する;粉末供給システムを有し、粉末は不活性ガス流に同伴される;N個のレーザービームを横断する粉末供給システムを有し、ここでN≧1であり、粉末は重力によってレーザービームの前に配置される;N個のレーザービームを横断する粉末供給システムを有し、ここでN≧1であり、粉末はレーザービームと交差する不活性ガス流に同伴される。 It also provides methods and systems for addressable arrays with one or more of the following features: the laser beam from the laser head is individually switched on and off, thereby binding onto a layer of powder. , A predetermined sequence for melting a target material with powder and fusing it into a part; the fibers of the laser head are arranged in an array selected from the group consisting of linear, non-linear, circular, diamond, square, triangular, and hexagonal. The fibers of the laser head are arranged in a sequence selected from the group consisting of 2x5, 5x2, 4x5, at least 5x, at least 5, 10x5, 5x10, and 3x4. The target material has a powder layer; the laser head can be moved across the powder layer, thereby having an xy transfer system that melts and fuses the powder layer; moves behind the laser light source and renews. It has a powder supply system that feeds after the fused layer of the powder layer; it has a z-movement system that moves the laser head to increase and decrease the height of the laser head over the surface of the powder layer; positive x It has a bidirectional powder placement device that can travel in a directional or negative x direction and place the powder directly after the delivered laser beam; it has a powder supply system that is coaxial with multiple laser beam paths; gravity. It has a feed powder system; it has a powder supply system, the powder is accompanied by an inert gas stream; it has a powder supply system across N laser beams, where N ≧ 1, and the powder is gravity. Placed in front of the laser beam by; having a powder supply system across N laser beams, where N ≧ 1, the powder is entrained in an inert gas stream that intersects the laser beam.
またさらに、高輝度を有する結合青色レーザービームを提供する方法を提供し、この方法は:複数のラマン変換レーザーを操作して複数の個別の青色レーザービームを提供すること、及び個別の青色レーザービームを結合して、元の光源の空間輝度を保ちながらより高い出力の光源を作り出すこと、を有し;複数のうちの個別のレーザービームが異なる波長を有する。 Furthermore, we also provide a method of providing a coupled blue laser beam with high brightness, which methods: manipulating multiple Raman conversion lasers to provide multiple individual blue laser beams, and individual blue laser beams. To create a light source with a higher output while preserving the spatial brightness of the original light source; the individual laser beams of the plurality have different wavelengths.
また、ターゲット材料をレーザー加工する方法を提供し、この方法は、3つの個別の結合レーザービームを3つの個別の光ファイバー内に発生させるためのここに記載されたシステムのタイプの少なくとも3つのレーザーシステムを有するアドレス可能なアレイレーザー加工システムを有し;各結合レーザービームをその光ファイバーに沿ってレーザーヘッドにまで伝搬させ;レーザーヘッドからの3つの個別の結合レーザービームを所定のシーケンスでターゲット材料上の所定の位置に向ける。 It also provides a method of laser processing the target material, which method is at least three laser systems of the type of system described herein for generating three separate coupled laser beams within three separate optical fibers. Has an addressable array laser processing system with; propagates each coupled laser beam along its optical fiber to the laser head; three individual coupled laser beams from the laser head on the target material in a predetermined sequence. Aim in place.
本発明は、材料のレーザー加工、特に約350nmから700nmの波長を有するレーザービームを使用したレーザー積層造形プロセスを含む、材料のレーザー造形に関する。
1-Dパターニングシステム
The present invention relates to laser processing of materials, particularly laser modeling of materials, comprising a laser laminated modeling process using a laser beam having a wavelength of about 350 nm to 700 nm.
1-D patterning system
図1は、3-D(三次元)積層造形装置又はプリンター装置100の斜視図である。プリンター装置100は、1-D(一次元)ファイバー構造である、プリンターヘッドの中に入力されるファイバー構造を有する。この1-Dシステムは、例えば図2A及び2Bに示すように直線状に配列された入力ファイバーを有することができ、また、例えば図3に示すように、光線経路、画像、及び光学素子を有する。
FIG. 1 is a perspective view of a 3-D (three-dimensional) laminated modeling device or a
図1-3は、1-Dパターニングシステムを使用する3-Dプリンターの例であり、1-Dは、3-D物体を造形するために使用されるレーザービームを提供及び出射するファイバー束の構造を指している。 Figure 1-3 is an example of a 3-D printer using a 1-D patterning system, where 1-D is a bundle of fibers that provides and emits a laser beam used to shape a 3-D object. Refers to the structure.
まず図1を参照するが、図2A、2B、及び3に照らして、システム100は、プリンターヘッド200をx方向及びy方向に移動させるx-yガントリーシステム101を備える。ガントリーシステムは、花こう岩、金属、又は重くて安定した好ましい他の材料から作られたベース112上に載せられている。ベースは、システムの残りの部分からその下でゴム又は空気支持を使用して振動絶縁して、ベースから粉末層110及びプリンターヘッド200への振動の伝達を防止している。システム100の全体が気密環境(図示しない)内に囲われて、粉末の加工のための不活性雰囲気を提供している。不活性雰囲気は、アルゴン、窒素、ヘリウム、又は酸素以外の他の不活性ガスとすることができる。不活性雰囲気は、減少した圧力、大気圧、又は増加した圧力とすることができ、また、通り抜ける流れがある(流入ポート及び流出ポート)、流入がある(補充ガスが流入するが、流出はしない)、又は流れがない(不活性ガスで満たした後に入力部及び出力部が閉じられる)ようにすることができる。好ましい実施形態では、それらの表面張力を壊すことによって溶融した粉末の流れを促進するためのアルゴン及びアルゴン-CO2混合ガスである。ガントリーのステージがプリンターヘッド200を運び、ファイバーアレイの束はQBH型コネクタ102によってプリンターヘッド200に送られる。プリンターヘッドのすぐ下には粉末層110があり、ファイバー束又はアレイによって伝送された画像は粉末層110上に再結像103される。粉末は、精密移動のための一対の直線レール109上に乗っている双方向粉末拡散器108によって拡散される。粉末拡散器は、ガントリーシステム101のY移動ステージ106のy方向移動によって、又は粉末拡散器アッセンブリに組み込まれた別のモータによって、動かされる。粉末は、ベース112の前方部及び後方部の端縁で粉末拡散器に充填され、また粉末は、重力送りによって粉末層に供給される。粉末拡散器は、その移動とは反対方向に回転して粉末層を広げて圧搾するローラー107を含む。粉末層を圧搾することによって、最終部品の空隙を最小限にすることができる。出力とセンサの読み出しは、ガントリーがy方向に移動するので、ガントリーの側面上の柔軟なケーブルトレイ105を通して送られる。
First, with reference to FIG. 1, in light of FIGS. 2A, 2B, and 3, the
ガントリーシステム101は、プリンターヘッド220のy方向への移動のためのY移動ステージ106を有し、またプリンターヘッド220のx方向への移動のためのZ移動ステージ111を有する。システム100は、(造形されるときに次の層が部品上に堆積されるように部品を下方に移動させるための)粉末層エレベータ104を有する。
The
プリンターヘッド200の好ましい実施形態が図2A及び2Bに示されている。図2A及び2Bは、同じ実施形態の斜視図であるが異なる視点からのものであり、典型的にはプリンターヘッドは覆われており、すなわち図示しない前側プレートを有することが理解される。ファイバー束は、2、3、4、5、6、2-10、及びこれらの組み合わせ、並びにより大きな数が、線状、好ましくは直線状に配列されている。ファイバー束は、QBHコネクタ201を介して送られる。QBHコネクタ201は、プリンターヘッド200のケース203に取り付けられたコレット202によって所定位置に保持されている。光学システムは、コリメート光学素子204及び集光光学素子205を備える。これらの2つの光学素子は、単一の結像光学素子に置き換えてもよい。レーザービームは、ファイバー210の面から出射され、レーザービーム経路に沿って、レンズ204、レンズ205、そして出射窓209に進み、画像103を形成する。光学システムに加えて、プリンターヘッド200は、粉末層上の溶融プールの温度をマルチスポット画像103のための開口又は窓208を通して監視するための熱探知カメラ又はパイロメーターカメラ207も収納している。
Preferred embodiments of the
図3には、1-D光学システム300及びレーザービーム経路の光線追跡の実施形態の概略が示されている。1-D光学システムは、例えば、プリンターヘッド200において使用することができる。ファイバー束301は、直線状に配列された5つの光ファイバー301a、301b、301c、301d、301eを有し、光線経路305を有するビーム経路に沿って出力レーザービームを提供し、出力はレンズ302によってコリメートされる。レンズ302は、平凸レンズ、平凸非球面レンズ、一対のレンズ、三重レンズ、又は同様なタイプの光学素子とすることができる。アレイ束からの光線経路307を有するコリメートビームは、次に、集光レンズ303によって、一連のスポット304a、304b、304c、304d、304eを有する画像304に集光される。集光レンズ303はm、平凸レンズ、平凸非球面レンズ、一対のレンズ、三重レンズ、又は同様なタイプの光学素子とすることができる。ファイバーのサイズは目盛320によって示され、画像及びスポットの大きさは目盛321によって示されている。平凸レンズ及び平凸非球面レンズの湾曲表面は、このシステムの球面収差を最小限にするために相互に面している。図3に示された光線追跡は、2つの溶融石英シリカの平凸非球面レンズに対するものである。スポットは、焦点面又はフーリエ変換面におけるものであり、システムの小さな収差のために画像の僅かな広がりがあり、結果として個別のファイバー画像、すなわち画像304を作り出すスポット304a、304b、304c、304d、304eが重なり合う。システムは、単一の結像レンズを使用することもでき、ここでファイバー光源301の出射面は結像光学素子から少なくとも2f離れて配置され、像面は同光学素子から少なくとも2f離れている。この手法は、コリメートレンズ及びファイバー束を再結像するための集光レンズを使用する好ましい実施形態よりもかなり大きなレンズを必要とする。好ましくは、熱探知カメラ又はパイロメーターカメラが、マルチスポット画像の個別のスポットのそれぞれに対して、粉末層上で溶融プールの温度を監視する。
FIG. 3 outlines an embodiment of the 1-D
1-Dパターニングシステムの実施形態において、1-D線の放射部、例えばファイバー面は、2、3、4、・・・n個であり、ファイバー及びQBHコネクタの物理的大きさに全て依存する。一実施形態においては、単一のファイバーがある。一実施形態においては、2から15、2から10、5から50、2から1,000、5から500、100から2,000、10より多い、20より多い、50より多い、及びこれらの組み合わせ及び変形形態、並びにさらに多い又はさらに少ない数のファイバーが、例えば、並んで配置されている。よって、例えば、200μmの直径のファイバー(例えば約10から約185μmのコア直径を有する)を使用することができ、それらのビーム及び粉末層上に再結像されたビーム画像が、粉末を溶かしてベース材料に融合するための出力を提供する。 In the embodiment of the 1-D patterning system, the radiation part of the 1-D line, for example, the fiber surface is 2, 3, 4, ... n, which depends entirely on the physical size of the fiber and the QBH connector. .. In one embodiment, there is a single fiber. In one embodiment, 2 to 15, 2 to 10, 5 to 50, 2 to 1,000, 5 to 500, 100 to 2,000, more than 10, more than 20, more than 50, and combinations thereof. And variants, as well as more or fewer fibers, are arranged side by side, for example. Thus, for example, fibers with a diameter of 200 μm (eg, having a core diameter of about 10 to about 185 μm) can be used, and their beams and the beam image reimaged on the powder layer melt the powder. Provides output for fusion with the base material.
図4Aには、QBH型の束コネクタ出力部700の実施形態の斜視図が示されている。このコネクタ出力部700は、直線状に配列された5つのファイバー701を有し、レーザービームの5つの放出部、及び例えば円径スポットであるそれらの画像を提供する。コネクタ出力部700は、5つのファイバーを収容する機械的QBH入力部702を有する。この入力部702は、例えば、プリンターヘッド、又は例えば図4Bに示すタイプの結合アッセンブリに差し込むことができる。コネクタ出力部700は、光ファイバーを覆う保護カバー703、及び破壊センサを有する。
FIG. 4A shows a perspective view of an embodiment of the QBH type bundle
ファイバー束結合器の実施形態の例が図4Bに示されている。この場合の結合器806は、入力部ファイバー801、802、803、804、805を備える自由空間結合器であり、入力部ファイバーは、コリメートされてから出力ファイバー束807内に結合及び再集光されて、光ファイバーによって、例えば出力コネクタ、プリンターヘッドに伝送される。ファイバー束は、個別のファイバー801、802、803、804、805のそれぞれから出力を受光して、粉末層上に再結像される。各ファイバーからの出力は、例えばガントリーシステムがどれくらい速くスキャンするか及びファイバー束画像のサイズに応じて、約2ワット(W)、10W、100W、約150W、約500W、約1kW、約2kW、約1Wから約2kW、約2Wから約150W、約250Wから約1kW、又は数kワット、及びこれらの組み合わせ及び変形形態とすることができる。
An example of an embodiment of a fiber bundle coupler is shown in FIG. 4B. The
1-Dファイバー束構造及びプリンターヘッドによって発生される1-Dレーザー画像のパターン(例えば、マルチスポット画像)の様々な実施形態の例が、図8A、8B、8C、8D、8E、8Fに示されている。粉末層上のパターンの移動方向が矢印で示されている。これらのレーザーパターンは、本願発明に係る、積層製造システム、プリンターヘッド、及び方法の何れの実施形態とでも使用可能である。 Examples of various embodiments of the 1-D fiber bundle structure and patterns of 1-D laser images generated by the printer head (eg, multispot images) are shown in FIGS. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F. Has been done. The direction of movement of the pattern on the powder layer is indicated by an arrow. These laser patterns can be used with any embodiment of the laminated manufacturing system, printer head, and method according to the present invention.
マルチスポット画像のスポットは、円形、楕円形、正方形、長方形、及び他の形状とすることができ、それらは、結合、隣接、重ねあわせ、部分的な重ねあわせとすることができ;また、より大きなエリア、例えば、正方形又は長方形を形成するパターンで、線状、直線状、湾曲線状、ジグザグ状とすることができ;それらの組み合わせ及び変形形態並びに他の構成及び配列とすることができる。これらのレーザーパターンは、本願発明に係る、積層製造システム、プリンターヘッド、及び方法の何れの実施形態とでも使用可能である。 The spots in a multi-spot image can be circular, oval, square, rectangular, and other shapes, which can be combined, adjacent, superposed, partially superposed; and more. Patterns that form large areas, such as squares or rectangles, can be linear, linear, curved, zigzag; their combinations and variants, as well as other configurations and arrangements. These laser patterns can be used with any embodiment of the laminated manufacturing system, printer head, and method according to the present invention.
部品は、ファイバー束の1-D画像を粉末層にわたってスキャンすることによってプリントされる。高出力ファイバー出力の1-D画像は、ガントリーシステムによってy軸方向に走査され、パターンを繰り返すためにx軸方向にステップオーバーされる。ステップオーバーは、直前にプリントされた軌跡に隣接させることができ、又は最終製品に望まれる応力パターンに応じて、ランダムに変えることもできる。プリントの後に、粉末層の下に配置された粉末層エレベータが、粉末層を所定量(例えば、約40μm、約50μm、約60μm、約35μmから約65μm、及びそれらの組み合わせ、並びにさらに大きいか又は小さい距離)だけ下降させ、粉末拡散器が粉末金属の層を均一に拡散させ、ローラーが粉末層を圧縮して粉末の空隙を減少させる。粉末層が次の層のために準備されると、1-Dファイバー束の画像がその表面にわたってスキャンされて、次の層がプリントされる。 The component is printed by scanning a 1-D image of the fiber bundle over the powder layer. The 1-D image with high power fiber output is scanned in the y-axis direction by the gantry system and stepped over in the x-axis direction to repeat the pattern. The stepover can be adjacent to the previously printed locus or can be randomly varied depending on the stress pattern desired for the final product. After printing, a powder layer elevator placed beneath the powder layer provides a predetermined amount of powder layer (eg, about 40 μm, about 50 μm, about 60 μm, about 35 μm to about 65 μm, and combinations thereof, and even larger or It is lowered by a small distance), the powder diffuser uniformly diffuses the layer of powder metal, and the roller compresses the powder layer to reduce the voids in the powder. When the powder layer is prepared for the next layer, an image of the 1-D fiber bundle is scanned over its surface and the next layer is printed.
ファイバーシステムは個別のレーザーダイオードによって置き換えることもできるが、これは、プリンターヘッドのサイズと個別のレーザーダイオードを駆動するために必要となる複雑な電子機器のために、好ましい実施形態ではない。個別のレーザーダイオードは、アドレス可能なレーザーダイオードアレイのバーの一部とすることができ、その場合には個別のレーザーダイオードは全て、個別の電流駆動能力を有する連続したバーアッセンブリ(bar assembly)の一部である。これは、放出部毎に限定された出力を有するファイバー手法に対する良い代替手段である。
補助レーザーを備える1-Dパターニングシステム
The fiber system can also be replaced by a separate laser diode, but this is not a preferred embodiment due to the size of the printer head and the complex electronics required to drive the individual laser diode. The individual laser diodes can be part of the bar of an addressable laser diode array, in which case all the individual laser diodes are of a continuous bar assembly with individual current drive capability. It is a part. This is a good alternative to the fiber technique, which has a limited output per emitter.
1-D patterning system with auxiliary laser
一実施形態において、追加の又は第2のレーザービームが、予加熱、冷却の制御、及びプリントされた画像の温度の制御のための手段を提供するために、プリンターヘッドに加えられる。補助レーザービームは加熱ビームとも呼ばれ、一方で粉末を溶かし融合して物体を形成するために使用される主レーザービームは、造形レーザー及び造形レーザービームと呼ばれる。 In one embodiment, an additional or second laser beam is added to the printer head to provide means for preheating, cooling control, and temperature control of the printed image. Auxiliary laser beams are also called heating beams, while the main laser beams used to melt and fuse powders to form objects are called modeling lasers and modeling laser beams.
主レーザービーム及び補助レーザービームを有するプリンターヘッドの実施形態が図5Aに示されており、主レーザービームを提供して粉末層上の主画像409(マルチスポット画像でありうる)を作り出すファイバー束は、QBHコネクタ401によって届けられ、コレット402によってプリンターヘッド400上に取り付けられている。主画像409のためのビーム経路及びビーム送達のため光学システムは、ファイバー束の出力をコリメートするためのレンズ405を備える。コリメートされた出力は、集光レンズ406によって出力層上に主画像409として集光される。この光学システムは、前述のものと同様であり、レンズは、平凸、平凸非球面、二重又は三重とすることができる。第2のレーザービームは、コレット404でプリンターヘッドに取り付けられたQBHコネクタ403によって届けられた光ファイバーを通して、プリンターヘッド400内に導かれる。レンズ407は、ファイバーの出力をコリメートするために使用される。レンズ407は、平凸、平凸非球面、二重又は三重とすることができる。ほとんどの接着材は高出力レベルに耐えられないため、高出力レベルでは二重又は三重レンズは間隔をあけた配置(air spaced)としなければならない。コリメートビームは、ビームを補助画像に整形して主画像409と重なり合うように向け直すレンズ又はマイクロレンズシステム408によって変形されて粉末層上に集光される。これらの重なった画像の実施形態が図5Bに示されている。重なった画像450は、主スポット411、412、413、414、415を有する主マルチスポット画像451であり、主スポットは主ファイバー束の主ファイバーから伝搬される。主スポットは、補助整形レーザービームの補助画像410と結合される。好ましくは、補助画像が粉末420のある体積を加熱する。この実施形態においては、補助レーザービームは、矢印416によって示された「y」方向に移動された1-Dパターン451のすぐ前にそのエネルギーの大部分を蓄積するように配置される。主パターン451及び補助パターン410の両方が、同じ速度で同じ方向416に移動する。この補助ビームパターンは、粉末を予加熱し、ファイバー束の画像が粉末を溶かしてそれを基板に融合するのを補助し、そして融合後に材料をアニールしてプリントされた部品内の内部ストレスを低減するためにいくらかの熱を供給する。システムの残りの部分は、上述のように機能し、熱探知カメラ又はパイロメーターアレイは、システムに統合されていて、主ファイバー束の画像451のすぐ前の粉末を所定の温度、好ましくは粉末の融点を僅かに下回る温度に維持するために、レーザーシステムにフィードバックを提供する。融合プロセス中に、熱探知カメラ又はパイロメーターアレイからのフィードバック信号は、補助レーザー、画像451を生成するファイバー束の個別のレーザー、及びそれらの両方、の出力を制御して、ファイバー束の画像内に所定の粉末温度を生じさせるために使用される。システムで使用される所定の粉末温度は、初めにシステムで実験的に決定されて、表面粗さ、部品の空隙率、及び部品サイズを低減するためのガイドラインとして全ての造形に対して使用される。補助レーザー光源は、例えば、使用中のプリンターヘッドのスキャン速度及びファイバーアレイパターンのエリアに基づいて、50ワット、100ワット、150ワット、500ワット、1,000ワット、約50ワットから約2kW、約250ワットから約1kW、数kワット、及びそれらの範囲内の全ての値とすることができる。
An embodiment of a printer head with a main laser beam and an auxiliary laser beam is shown in FIG. 5A, where the fiber bundles that provide the main laser beam to produce the main image 409 (which can be a multi-spot image) on the powder layer. , Delivered by the
図6A及び6Bには、補助画像552と主画像551との結合画像509を提供するレーザーヘッド500の斜視図が示されており、両補助ファイバー束のレーザー光源がアドレス可能な加熱パターンを粉末層上に提供する。図6は、補助ファイバー束の使用を説明しており、ファイバー束は、コレット504でプリンターヘッド500に取り付けられたコネクタ503によって取り付けられている。主ファイバー束は、コネクタ501及びコレット502によってプリンターヘッド500に取り付けられており、コリメートレンズ505及びフーリエ変換集光レンズ506を有する。レンズ507がファイバー束をコリメートし、ビーム整形システム508が、個別に制御されて画像552を形成することができる補助ファイバー束のn個の画像を作り出し、この実施形態では、画像552は加熱される粉末層中の粉末の量に対応する画像516、517、518、519、520を有する。各補助レーザー光源がオンとオフに切り替えられる時間を制御することによって、画像516-520にそれぞれ対応する体積部分の予加熱と冷却の特性を変更することが可能になる。図5Bの実施形態において、外側の補助画像516、520を提供する2つの外側のファイバーは、オンとオフを同じ時間で切り替えられてパターンの外側縁を予加熱する。2つの外側領域の加熱により内側領域には少ないエネルギーしか要求されないので、画像517、519を提供する2つの内側のファイバーは僅かに遅くオンに切り替えられ、外側のファイバーからの発熱が内側領域へと伝わるするようにする。中央の補助ファイバー画像518は、さらに小さいエネルギーしか要求されないので、光源はより低い出力レベルで遅くオンに切り替えられ、また遅くオフに切り替えられて、材料の熱伝導率及び部品の設計に応じて、レーザースポット513に対応する1つの領域か、又は主マルチスポット画像551を形成するレーザースポット511-515に対応する全領域を、アニールするために熱を提供する。各補助ファイバーは、例えばプリンターヘッドのスキャン速度及び加熱されるパターンのサイズに応じて、30ワット、100ワット、150ワット、約50ワットから約2kW、約250ワットから約1kW、及び数kワットの出力、並びにこれらの範囲内の全ての値の出力を供給するようにできる。
6A and 6B show perspective views of the
図7A及び7Bには、スポット610、611、612、613、614を有する主マルチスポットのレーザービーム画像608、及び画像608に重なって粉末体積651を加熱する補助レーザービーム画像609、を提供するレーザープリンターヘッド600の斜視図が示されている。主レーザー光源は、(1-Dパターン又は2-Dパターンを提供することができる)ダイオードアレイ601である。主レーザービーム経路は、アレイ601から出て、第1のビーム整形光学素子604及びその後に第2のビーム整形光学素子605に入って、粉末層の表面上に1-Dパターンである画像608を形成する。補助レーザーは、コネクタ603及びコレット603によってプリンターヘッド600に接続されたファイバー又はファイバー束を有する。補助レーザービーム経路は、ファイバー又はファイバー束からコリメートレンズ606に進み、その後にビーム整形光学素子607に進んで、補助レーザービーム画像609を形成しそれを主レーザービーム画像608に重ね合わせる。レーザービーム及びそれに対応する画像の粉末層に対する進行方向は、矢印615で示されている。
7A and 7B show a laser that provides a
図7A及び7Bの実施形態においては、アドレス可能なレーザーダイオードアレイ光源が、アドレス可能な加熱パターンを粉末層上に提供する。アドレス可能なレーザーダイオードアレイ光源601からの各放出は、ダイオードアレイ技術によって制限されるが、3ワット、10ワット、又はそれより大きくすることができる。レーザーダイオードの個別の出力レベルはそれ自体で多くの金属材料を溶かすのには不十分であるので、ファイバー又はファイバー束によってコネクタ602内に提供される補助加熱光源又はレーザー光源が、アドレス可能なレーザーダイオードアレイを使用したその構造にも必要となる。加熱された粉末層又は補助レーザー光源のいずれかを使用可能である。ここで、補助レーザー光源は、画像609を提供して融点を僅かに下回る温度にまで粉末体積651を予加熱するために使用され、レーザーダイオードアレイ608の画像は、粉末を溶かしてそれをその下の材料に融合するために使用される。補助レーザー光源は、プリンターヘッド600にコネクタ602及びコレット603によって接続された単一ファイバーやファイバー束とすることができ、又は、補助レーザー光源は、単一の画像609又は図6Aの実施形態に示されているような一連の画像を形成するようにコリメートされて再結像される別のレーザーダイオードアレイとすることができる。レーザーダイオードアレイの好ましい実施形態は、IRレーザーダイオード光源に対して改善された吸収性を有していることから、青色レーザーダイオード光源である。ダイレクトレーザーダイオードアレイ光源において使用される1-Dパターンは図8B及び8Dの実施形態が最も可能性が高く、ダイオードの間の空間はどの構造でも検討されなくてはならないが、図8A-8Aの実施形態のいずれかの画像を生成するため、画像を整形する光学素子を使用することができる。
In embodiments 7A and 7B, an addressable laser diode array light source provides an addressable heating pattern on the powder layer. Each emission from the addressable laser diode array
主レーザービームパターンを形成する主レーザービームの1つ、複数、又は全てが、補助レーザーパターンのエリア内に完全にあるか、補助レーザーパターンのエリア内に部分的にあるか、第2のレーザービームパターンのエリアの完全に外側にあるようにすることができ、またこれらの組み合わせ及び変形形態とすることができる。実施形態において、主レーザービームパターン及び補助レーザービームパターンは、同じ速度で同じ方向に移動するか、異なる速度(例えば、主がより速いか又は補助がより速い)で同じ方向に移動するか、異なる方向に移動するか、同じか又は異なる速度で移動することができ、またこれらの組み合わせ及び変形形態とすることができる。主レーザービーム及び補助レーザービームは、独立した所定のパターンで移動して、特定のタイプのアイテムを造形するか、又は特定のタイプの特徴部を造形アイテムに提供することもできる。 Whether one, more, or all of the main laser beams forming the main laser beam pattern are completely within the area of the auxiliary laser pattern, partially within the area of the auxiliary laser pattern, or a second laser beam. It can be completely outside the area of the pattern, and can be a combination and variant of these. In embodiments, the main laser beam pattern and the auxiliary laser beam pattern either move in the same direction at the same speed, or move in the same direction at different speeds (eg, faster for the main or faster for the auxiliary). It can move in a direction, move at the same or different speeds, and can be a combination and variant of these. The main laser beam and the auxiliary laser beam can also be moved in an independent predetermined pattern to form a specific type of item or provide a specific type of feature to the modeling item.
主レーザービームパターンは、1つ、2つ、3つ、4つ、又はそれより多く、及び10以上のレーザービームを有することができる。補助レーザービームパターンは、単一ビームとすることができ、又は複数のレーザービーム、若しくは複数の重なり合ったレーザービームとすることもでき、またそれらの組み合わせ及び変形形態とすることができる。 The main laser beam pattern can have one, two, three, four, or more, and ten or more laser beams. The auxiliary laser beam pattern can be a single beam, a plurality of laser beams, or a plurality of overlapping laser beams, and can be a combination and a modification thereof.
主レーザービームの断面は、円形、楕円形、正方形、又は他の形状とすることができる。主レーザービームパターンは、線状、正方形配置、長方形配置、円形配置、楕円形配置、放物線配置(パターンの移動に対して凸又は凹)、弧状(パターンの移動に対して凸又は凹)、矢印又は「V」配置、ダイアモンド配置、他の幾何学的なパターン及び配置、並びにこれらの組み合わせ及び変形形態で配列することができる。 The cross section of the main laser beam can be circular, elliptical, square, or other shape. The main laser beam patterns are linear, square, rectangular, circular, elliptical, parabolic (convex or concave with respect to pattern movement), arcuate (convex or concave with respect to pattern movement), and arrows. Alternatively, they can be arranged in "V" arrangements, diamond arrangements, other geometric patterns and arrangements, as well as combinations and variants thereof.
一実施形態において、補助パターンは、空間光変調器を通して結像された高強度の可視、UV、若しくはIRの光、又は空間光変調器を通して結像された高出力レーザー、又は1-D若しくは2-Dパターンで配列された1からN個の範囲の光源のレーザーのアレイとすることができる。補助レーザーのアレイは、レーザーダイオードのアレイ、又は個別のレーザーシステムに接続されたファイバーのアレイとすることができる。 In one embodiment, the auxiliary pattern is a high intensity visible, UV, or IR light imaged through a spatial light modulator, or a high power laser imaged through a spatial light modulator, or 1-D or 2. It can be an array of lasers with a range of 1 to N light sources arranged in a -D pattern. The array of auxiliary lasers can be an array of laser diodes or an array of fibers connected to a separate laser system.
2-Dパターニングシステム 2-D patterning system
好ましい実施形態は、金属部品をプリントするときに、二次元(2-D)のファイバー束又はレーザーアレイを、加熱源又はエネルギー源として使用する。それらを生成する幾つかの2-Dファイバー束及びレーザーパターン又はマルチスポット画像の例が、図8D-8Fの実施形態に示されている。図8Fは、正方形スポットの画像であり、それは、正方形又は長方形の光ファイバーのアレイ、又はそのようなスポットを提供するようにビームを形状付ける他の光学素子から形成される。一実施形態において、1-Dパターニングシステムから2-Dパターニングシステムの実施形態への変更は、プリンターヘッドにファイバーのより多くの列を追加することであり(図8Cを8Eと比較)、より大きなアドレス可能なエリアによってより速くプリントする能力が加わる。これらの2-D光源は、個別のプリンターシステムのスキャン速度及びプリントされるパターンのサイズに応じて、3ワット、10ワット、20ワット、100ワット、150ワット、約50ワットから約2kW、約250からワット約1kW、及び数kワットのレーザー出力レベルを有することができる。 A preferred embodiment uses a two-dimensional (2-D) fiber bundle or laser array as a heating or energy source when printing metal parts. Examples of some 2-D fiber bundles and laser patterns or multi-spot images that produce them are shown in the embodiment of FIG. 8D-8F. FIG. 8F is an image of a square spot, which is formed from an array of square or rectangular optical fibers, or other optical element that shapes the beam to provide such a spot. In one embodiment, the change from the 1-D patterning system to the 2-D patterning system embodiment is to add more rows of fibers to the printer head (comparing FIG. 8C to 8E), which is larger. Addressable areas add the ability to print faster. These 2-D light sources are 3 watts, 10 watts, 20 watts, 100 watts, 150 watts, about 50 watts to about 2 kW, about 250, depending on the scanning speed of the individual printer system and the size of the printed pattern. It can have a laser output level of about 1 kW from watts, and several watts.
2-Dパターニングシステムは、単一補助レーザー光源、補助レーザー光源のアレイ、又は補助レーザー光源の束、並びにそれらの組み合わせ及び変形形態と結合されて、予加熱するためのエネルギー又はプリントされるパターンの制御された冷却を提供することができる。実施形態において、粉末層上の高出力画像を、単一補助レーザーと重ね合わせることができる。図9Aから9Fには、主画像と補助画像との複合画像の実施形態の平面図が示されている。主ビームパターンと補助ビームパターンの両方の移動方向が、各図において矢印で示されている。 The 2-D patterning system is combined with a single auxiliary laser light source, an array of auxiliary laser light sources, or a bundle of auxiliary laser light sources, as well as combinations and variants thereof, of energy or printed patterns for preheating. Controlled cooling can be provided. In embodiments, a high power image on the powder layer can be superimposed with a single auxiliary laser. 9A to 9F show a plan view of an embodiment of a composite image of a main image and an auxiliary image. The directions of movement of both the main beam pattern and the auxiliary beam pattern are indicated by arrows in each figure.
図9Aは、移動方向に対してある角度をなし、完全に円形補助画像の中にある状態の、直線状の1-Dマルチスポット主画像の実施形態を示している。 FIG. 9A shows an embodiment of a linear 1-D multispot main image at an angle to the direction of movement and in a state of being completely in a circular auxiliary image.
図9Bは、傾斜したアレイの1-D画像であり、各スポットの間のデッドスペースがスポットの傾斜した角度によって補われた状態となっている主画像と、補助レーザー光源によって提供された、融合の前に粉末を予加熱するための単一の補助画像との実施形態を示している。この実施形態においては、補助画像は、主ビームパターンに隣接はしているが、重なってはいない。 FIG. 9B is a 1-D image of a tilted array with a fusion provided by an auxiliary laser source with a main image in which the dead space between the spots is supplemented by the tilted angle of the spots. The embodiment with a single auxiliary image for preheating the powder is shown before. In this embodiment, the auxiliary images are adjacent to, but not overlapped with, the main beam pattern.
図9Cは、長方形の補助レーザー画像と重なり、予加熱と造形シーケンスを通して温度を制御するための融合後のエネルギーとの両方を提供する、単一の線状アレイの主画像の実施形態を示している。 FIG. 9C shows an embodiment of a single linear array main image that overlaps with a rectangular auxiliary laser image and provides both preheating and post-fusion energy to control temperature through the build sequence. There is.
図9Dは、単一の楕円形の補助レーザースポットと重なり、粉末の温度を融解温度を僅かに下回る温度にまでもっていくための所与のスキャン速度に必要なエネルギーを提供し、また溶接の後に材料をアニーリングするための手段を提供する、間隔をあけた2-Dアレイパターンの実施形態を示している。 FIG. 9D overlaps with a single oval auxiliary laser spot, providing the energy required for a given scan rate to bring the powder temperature to a temperature just below the melting temperature, and after welding. It illustrates an embodiment of a spaced 2-D array pattern that provides a means for annealing a material.
図9Eは、密集したファイバーアレイからの2-D主画像の実施形態を示しており、補助レーザー光源からの単一の予加熱ビーム画像が主画像に隣接してその前にある。 FIG. 9E shows an embodiment of a 2-D main image from a dense fiber array, with a single preheated beam image from an auxiliary laser source adjacent to and in front of the main image.
図9Fは、隣接した正方形ファイバーの密集したアレイからの2-D主画像の実施形態を示している。一実施形態において、正方形は加工の隙間を最小限にするために重なり合っている。この密集したアレイパターンは粉末を予加熱する強度を有する補助レーザー光源と重なっており、補助レーザー光源は、融解及び接合プロセス中に追加のエネルギーを供給して、最終的に融解及び融合ステップの後に幾らかの温度制御を提供する。 FIG. 9F shows an embodiment of a 2-D main image from a dense array of adjacent square fibers. In one embodiment, the squares overlap to minimize machining gaps. This dense array pattern overlaps with an auxiliary laser source that has the strength to preheat the powder, which provides additional energy during the melting and joining process and finally after the melting and fusion steps. Provides some temperature control.
図9Aから9Fの実施形態の補助画像パターン並びに他の実施形態の補助レーザーパターン及び画像のためのこれらの補助レーザー光源は、例えば、プリンターヘッドのスキャン速度、主レーザービームの出力、及び加熱されるエリアのサイズに応じて、約2ワット、約3ワット、約10ワット、約20ワット、約50ワット、約100ワット、約150ワット、約50ワットから約2kW、約10ワットから約200、約50ワットから約500、約250ワットから約1kW、及び数kワットとすることができる。
These auxiliary laser sources for the auxiliary image patterns of
ファイバー束の主レーザー光源をファイバー束の補助光源と結合することによって、物体の造形中に予加熱と冷却の温度サイクルを変更することが実現可能になる。よって、予加熱及び冷却プロセスのサイクルは、変更することができ、例えば、造形アイテムが造形されるときの状態に適合させることができる。温度、粗さ、密度、照射又は反射された光のスペクトラム、のような造形アイテムの特性についての情報が、補助ファイバーレーザービームのオン時間及び出力のような特性を変更及び調整するために、よって補助画像を「オンザフライ」で主画像、アイテムの造形、及びその両方に対して調整するために使用される。図10A-10Fは、アドレス可能なレーザー画像パターンをアドレス可能な補助予加熱パターンと重ね合わせるときの、様々な構成及び可能なタイミング効果を示している。レーザー予加熱のさらなる利点は、層全体の加熱やより多くのエネルギーを要するチャンバーの加熱の必要性を排除できることである。
By combining the main laser light source of the fiber bundle with the auxiliary light source of the fiber bundle, it becomes feasible to change the temperature cycle of preheating and cooling during the shaping of the object. Thus, the cycle of the preheating and cooling process can be varied and, for example, adapted to the state in which the modeled item was modeled. Information about the characteristics of the shaped item, such as temperature, roughness, density, spectrum of illuminated or reflected light, thus changes and adjusts the characteristics, such as the on-time and output of the auxiliary fiber laser beam. Used to adjust the auxiliary image "on the fly" to the main image, the modeling of the item, or both. 10A-10F show various configurations and possible timing effects when overlaying an addressable laser image pattern with an addressable auxiliary preheating pattern. A further advantage of laser preheating is that it eliminates the need to heat the entire layer or the chamber, which requires more energy.
温度制御システム Temperature control system
本願発明以前の従来の積層造形システムは、プリント品質を正確には制御することができない開ループ形式で動作していた。これはそのような従来のシステムの重大な欠点であったが、本願発明の実施形態はそれを対処して改善している。本願発明の一実施形態において、フィードバックループは、1-D又は2-Dパターン、並びに補助レーザーパターン及びこれらのパターンが送られる粉末層のそれぞれの温度を正確に制御するために使用される。このフィードバックループは、例えば、造形される部品が開ループシステムで実現できるものよりも、より小さな空隙率、より少ない欠陥、及びより良い表面粗さを有するようになるなどの、多くの利点をもたらす。ガルバノメーターに基づくシステムに比べてガントリーシステムは相対的に低い速度で移動するので、粉末層の温度をプリントパターン内の全ての点で測定して、造形されているときのアイテムの温度プロファイルを基づいてプリントパターンの領域にアドレスするレーザーの出力設定をプリントプロセス中にリアルタイムで変更し、例えば「オンザフライ」でプリントプロセスを調整することが実現可能となる。一実施形態においては、層の温度プロファイルがレーザースポットごとにレーザースポット上で監視及び制御され、そして、レーザースポットの出力、タイミング、及びその両方を調節してそのアイテムの造形プロセスを制御する。図11は、ファイバー束の画像1101がどのようにしてカメラセンサアレイ1102上に再結像1103されるのかを説明している。センサアレイを読み込むソフトウェアは、加熱された領域を認識し、各領域の平均温度を提供する。レーザー光源が全て同じ出力である場合には、中央のピクセルは外側のピクセルよりもかなり高い温度を示し、内側の光源の出力を均一な温度プロファイルが達成されるまで減少させることができる。これにより、粉末は最適な温度範囲内で溶かされて融合され続ける。これは、2-Dファイバー束画像だけでなく、1-Dファイバー束画像にも当てはまる。その領域の温度が測定されると、図12に示すように、一連の命令信号1204-1210が計算されて、均一な又は所定の最適な温度プロファイルが達成されるまで各領域への出力を増加又は減少させる。よって、粉末層上でのアレイ又はファイバー束の画像1201は、画像を受けて分析するための装置、例えばFLIRカメラのようなセンサやカメラに結像される。これは、ピクセル単位の温度プロファイルのマトリクス1202を提供する。プロセッサー、例えば、コンピュータ、マイクロプロセッサは、マトリクス1202からの温度プロファイルを造形プログラムに対して補間して変換し、個別のファイバー又はレーザーによって生成された画像に関連付けられたレーザーに制御信号1204-1210を送出することによって造形計画を満たすようにレーザー出力を調整する。このようにして、スポットごとのオンザフライでのレーザービーム及び造形プロファイルの調整がもたらされる。また、リアルタイムでフィードバック信号をレーザー光源に提供することによって、粉末が適切に溶けていない場合に、その領域への出力を増加させて、それが適切に溶ける可能性を高めることが可能となる。これは、より大きな直径の粉末はより小さい直径の粉末よりも溶かすためにより大きなエネルギーが必要とされるため、粉末の直径に大きなバラツキがある領域において生じうる。小さい直径の粉末が気化することを防止することも重要であるので、レーザー光源への温度のリアルタイムフィードバックを、大きな粉末の粒子を溶かすのには十分であるが小さな粉末の粒子を気化するのには十分でない平均領域温度内に調節するために使用することができる。
Prior to the present invention, the conventional laminated modeling system operated in an open loop format in which print quality could not be accurately controlled. This has been a serious drawback of such conventional systems, but embodiments of the present invention address and improve it. In one embodiment of the invention, the feedback loop is used to accurately control the temperature of each of the 1-D or 2-D patterns, as well as the auxiliary laser pattern and the powder layer to which these patterns are sent. This feedback loop offers many advantages, for example, that the part to be modeled will have smaller porosity, less defects, and better surface roughness than what can be achieved with an open loop system. .. Since the gantry system moves at a relatively low speed compared to systems based on galvanometers, the temperature of the powder layer is measured at all points in the print pattern and is based on the temperature profile of the item as it is being modeled. It is feasible to change the output settings of the laser addressing the area of the print pattern in real time during the print process, for example "on the fly" to adjust the print process. In one embodiment, the temperature profile of the layer is monitored and controlled on the laser spot for each laser spot, and the output, timing, or both of the laser spots are adjusted to control the shaping process of the item. FIG. 11 illustrates how the
本願システム及び方法の実施形態の、システム、プロセス、構成、及び方法の例が表1に記載されている。 Examples of systems, processes, configurations, and methods of embodiments of the systems and methods of the present application are given in Table 1.
また、概して、本願発明の実施形態は、レーザービームの結合、そのような結合のためのシステム、及び結合ビームを利用したプロセスに関する。特に、本願発明は、幾つかのレーザービーム光源からのレーザービームを1つ以上の結合レーザービームに結合するためのアレイ、アッセンブリ、及び装置に関する。これらの結合レーザービームは、好ましくは、個別の光源からのレーザービームの様々な面及び特性を、維持し、強化し、及びその両方をする。 Also, in general, embodiments of the present invention relate to laser beam coupling, systems for such coupling, and processes utilizing coupled beams. In particular, the present invention relates to an array, an assembly, and an apparatus for coupling a laser beam from several laser beam sources to one or more coupled laser beams. These coupled laser beams preferably maintain, enhance, and both the various aspects and properties of the laser beam from the individual light sources.
当該アレイアッセンブリ及びそれらを提供する結合レーザービームの実施形態には、幅広い範囲の適用可能性が見出される。当該アレイアッセンブリの実施形態は、コンパクトで耐久性がある。当該アレイアッセンブリの実施形態は、いくつか例を挙げると、溶接、3-Dプリンティングを含む積層造形;積層造形-フライス加工システム、例えば付加及び除去製造;天文学;気象学;画像;娯楽を含む映像;及び歯科を含む医薬に適用可能性がある。 A wide range of applicability is found in the array assembly and the embodiments of the coupled laser beam that provides them. The embodiment of the array assembly is compact and durable. Embodiments of the array assembly include, to name a few examples, laminated modeling including welding, 3-D printing; laminated modeling-milling systems such as addition and removal manufacturing; astronomy; meteorology; images; video including entertainment. And may be applicable to medicines including dentistry.
本明細書は青色レーザーダイオードアレイに焦点を当てているが、この実施形態は、本願発明で予定されているタイプのアレイアッセンブリ、システム、プロセス、及び結合レーザービームを単に説明しているだけである。よって、本願発明の実施形態は、固体レーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー、他のタイプのレーザー、並びにこれらの組み合わせ及び変形形態のような、様々なレーザービーム光源からのレーザービームを結合するためのアレイアッセンブリを含む。本発明の実施形態は、全ての波長にわたるレーザービーム、例えば、約380nmから800nm(例えば、可視光)、約400nmから約880nm、約100nmから約400nm、700nmから1mmの波長、及びこれらの様々な範囲内の特定の波長の組み合わせや変形形態の波長を有するレーザービーム、の結合が含まれる。当該アレイの実施形態は、マイクロ波干渉性放射(例えば、約1mmより大きな波長)における応用も見出される。当該アレイの実施形態は、1つ、2つ、3つ、数十、又は数百のレーザー光源からのビームを結合することができる。これらのレーザービームは、数ミリワットから、数ワット、数キロワットを有することができる。 Although the present specification focuses on blue laser diode arrays, this embodiment merely describes the types of array assemblies, systems, processes, and coupled laser beams envisioned in the present invention. .. Accordingly, embodiments of the present invention are arrays for coupling laser beams from various laser beam sources, such as solid-state lasers, fiber lasers, semiconductor lasers, other types of lasers, and combinations and variants thereof. Includes assembly. Embodiments of the invention include laser beams across all wavelengths, such as wavelengths from about 380 nm to 800 nm (eg, visible light), from about 400 nm to about 880 nm, from about 100 nm to about 400 nm, from 700 nm to 1 mm, and various of these. Includes the combination of specific wavelength combinations within a range or the coupling of a laser beam with a modified form of wavelength. The embodiments of the array are also found to have applications in microwave coherent radiation (eg, wavelengths greater than about 1 mm). Embodiments of the array can combine beams from one, two, three, tens, or hundreds of laser sources. These laser beams can have from a few milliwatts to a few watts, a few kilowatts.
本発明の実施形態は、好ましくは高輝度レーザー光源を生成するように構造に組み合わされた青色レーザーダイオードのアレイを備える。この高輝度レーザー光源は、材料を直接加工するために、すなわち、マーキング、切削、溶接、ろう付け、熱処理、アニーリングを行なうために使用されうる。加工される材料、例えば出発材料又はターゲット材料には、如何なる材料又は部品又は組成物も含まれ、またいくつか例を挙げると、例えば、限定するわけではないが、TFT(thin film transistors)のような半導体部品、3-Dプリンティングの出発材料、金、銀、プラチナ、アルミニウム、及び銅を含む金属、プラスチック、細胞組織、及び半導体ウエハーが含まれる。直接プロセスには、いくつか例を挙げると、例えば、電子部品からの金の溶発(アブレーション)、投射型ディスプレー、レーザー光ショーが含まれる。 Embodiments of the invention preferably include an array of blue laser diodes combined in a structure to produce a bright laser light source. This high-intensity laser light source can be used to process materials directly, i.e. for marking, cutting, welding, brazing, heat treatment and annealing. The material to be processed, eg, the starting material or the target material, includes any material or part or composition and, to name a few examples, for example, such as, but not limited to, TFT (thin film semiconductor). Semiconductor components, starting materials for 3-D printing, metals including gold, silver, platinum, aluminum, and copper, plastics, cell tissues, and semiconductor wafers. Direct processes include, for example, gold ablation from electronic components, projection displays, and laser light shows, to name a few.
当該高輝度レーザー光源の実施形態は、ラマンレーザー又は反ストークスレーザーをポンプするために使用され得る。ラマン媒質は、光ファイバー、又はダイアモンド、KGW(potassium gadolinium tungstate、KGd(WO4)2)、YVO4、及びBa(NO3)2のような結晶とすることができる。一実施形態において、高輝度レーザー光源は、青色レーザーダイオード光源であり、それは400nmから500nmの範囲の波長で動作する半導体である。ラマン媒質は、輝度変換器であり、青色レーザーダイオード光源の輝度を増加させることができる。輝度の強化は、単一モードの回折限界光源、すなわち、波長に応じて、1mm-mrad未満、0.7mm-mrad未満、0.5mm-mrad未満、0.2mm-mrad未満、及び0.13mm-mrad未満のビームパラメータ積で約1から1.5のM2を有するビームを生成することにまで至る。 The high-intensity laser light source embodiment can be used to pump a Raman laser or an anti-Stokes laser. The Raman medium can be an optical fiber or a crystal such as diamond, KGW (potassium gadolinium tungstate, KGd (WO 4 ) 2 ), YVO 4 , and Ba (NO 3 ) 2 . In one embodiment, the high intensity laser light source is a blue laser diode light source, which is a semiconductor operating at a wavelength in the range of 400 nm to 500 nm. The Raman medium is a luminance transducer and can increase the luminance of a blue laser diode light source. Brightness enhancement is a single mode diffraction-limited light source, ie, less than 1 mm-mrad, less than 0.7 mm-mrad, less than 0.5 mm-mrad, less than 0.2 mm-mrad, and 0.13 mm, depending on the wavelength. It leads to producing a beam with an M 2 of about 1 to 1.5 with a beam parameter product of less than -mrad.
一実施形態において、「n」又は「N](例えば、2、3、4、など、数十、数百、またはより多い)のレーザーダイオード光源は、アドレス可能な光源を可能とする光ファイバーの束で構成することができ、アドレス可能な光源は、いくつかのレーザー動作及び方法の例を挙げると、マーキング、溶融、溶接、溶発、アニール、熱処理、材料の切削、及びこれらの組み合わせ及び変形形態のために使用可能である。 In one embodiment, the "n" or "N" (eg, 2, 3, 4, etc., tens, hundreds, or more) laser diode light sources are a bundle of optical fibers that allow addressable light sources. Addressable light sources can be configured with, to name a few examples of laser operation and methods, marking, melting, welding, melting, annealing, heat treatment, cutting of materials, and combinations and variants thereof. Can be used for.
アドレス可能なレーザーの送達構成を備えたレーザーシステムの実施形態。システムは、アドレス可能なレーザーダイオードシステムを有する。システムは、独立してアドレス可能なレーザービームを複数のファイバー(より多くの又はより少ない数のファイバー及びレーザービームが予定される)に提供する。ファイバーは、保護チューブ又はカバー内に収容されたファイバー束に結合される。ファイバー束内のファイバーは、融合され、レーザービームを集光してビーム経路に沿ってターゲット材料に向ける光学アッセンブリを含むプリンターヘッドを形成する。プリンターヘッド及び粉末ホッパーは、プリンターヘッドの正の方向への移動にともなって一緒に移動する。追加の材料が、プリンターヘッド又はホッパーのそれぞれの通過に伴って、融合した材料の上面に配置される。プリンターヘッドは双方向でありプリンターヘッドが移動したときに材料を両方向で融合するので、粉末ホッパーは、プリンターヘッドの後ろで動作して、融合される積層材料をレーザープリンターヘッドの次の経路上に提供する。 An embodiment of a laser system comprising an addressable laser delivery configuration. The system has an addressable laser diode system. The system provides independently addressable laser beams to multiple fibers, with more or fewer fibers and laser beams planned. The fibers are bonded to a fiber bundle housed in a protective tube or cover. The fibers in the fiber bundle are fused to form a printer head containing an optical assembly that focuses the laser beam and directs it along the beam path toward the target material. The printer head and powder hopper move together as the printer head moves in the positive direction. Additional material is placed on top of the fused material as it passes through the printer head or hopper, respectively. Since the printer head is bidirectional and fuses the material in both directions as the printer head moves, the powder hopper operates behind the printer head to bring the fused laminated material onto the next path of the laser printer head. offer.
「アドレス可能なアレイ」によって、その出力;発射の期間;発射のシーケンス;発射の位置;ビームの出力;ビームスポットの形状、及び、焦点距離、例えばz-z方向への透過深さ、の1つ以上が、独立して変えられ、制御され、及び予め決められるか、又は各ファイバーの各レーザービームが、ターゲット材料の高精密な最終製品(例えば、造形材料)から作り出すことができる正確な予め決められた送達パターンを提供する。アドレス可能なアレイの実施形態は、それらビームによって作り出された個別のビーム及びレーザーストップが、アニーリング、溶発、及び溶接のような多様な、予め決められた、正確なレーザー動作を実行する能力も有する。 By an "addressable array", one of its output; duration of launch; sequence of launch; position of launch; output of beam; shape of beam spot and focal length, eg, transmission depth in the z-z direction. One or more can be independently varied, controlled, and pre-determined, or each laser beam of each fiber can be produced from a high precision final product of the target material (eg, molding material) with the exact pre-position. Provide a defined delivery pattern. An addressable array embodiment also has the ability of the individual beams and laser stops produced by those beams to perform a variety of predetermined and accurate laser movements such as annealing, melting, and welding. Have.
以下の例は、本願発明のレーザーアレイ、システム、機器、及び方法の様々な実施形態を説明するために提供されている。これらの例は、説明目的のためのものであり、本願発明の範囲の制限として見られるべきでは無く、また制限をしない。 The following examples are provided to illustrate various embodiments of the laser array, system, device, and method of the present invention. These examples are for illustration purposes only and should not be seen as a limitation of the scope of the invention, nor are they limiting.
例1 Example 1
空間的に結合されて、ワークピースに送達するために耐ソラリゼーションの光ファイバー内に結合される単一スポットを遠視野内に作る、青色レーザーダイオードのアレイ。 An array of blue laser diodes that create a single spot in the distant field that is spatially coupled and coupled within a solarization-resistant optical fiber for delivery to the workpiece.
例2 Example 2
レーザービームの実効輝度を増加させるために結合された偏光ビームである、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The array of blue laser diodes according to Example 1, which is a polarized beam coupled to increase the effective brightness of the laser beam.
例3 Example 3
レーザーダイオードの速軸方向での各コリメートビームの間に空間を有し、周期的なプレートに結合される、青色レーザーダイオードのアレイであって、周期的なプレートが、第1のレーザーダイオードを反射し、第1のアレイの速軸方向でのレーザーダイオードの間の空間を満たすための第2のレーザーダイオードは通すようにされた、青色レーザーダイオードのアレイ。 An array of blue laser diodes having a space between each collimated beam in the fast axis direction of the laser diode and coupled to a periodic plate, the periodic plate reflecting the first laser diode. And an array of blue laser diodes configured to pass a second laser diode to fill the space between the laser diodes in the fast axis direction of the first array.
例4 Example 4
例3の空間を満たすことを実現するために使用される、ガラス基板上のパターン化されたミラー。 A patterned mirror on a glass substrate used to achieve filling the space of Example 3.
例5 Example 5
例3の空間を満たすことを実現するための、ガラス基板の一方の面上のパターン化されたミラーであって、ガラス基板は、個別のレーザーダイオードの間の空いた空間を満たすために各レーザーダイオードの垂直位置を移動させるのに十分な厚さのものである。 A patterned mirror on one side of a glass substrate to achieve filling the space of Example 3, where each laser is used to fill the empty space between the individual laser diodes. It is thick enough to move the vertical position of the diode.
例6 Example 6
例3の空間を満たすことを実現する、例4に記載されたパターン化されたミラーである、階段状のヒートシンク。 A stepped heat sink, the patterned mirror described in Example 4, which realizes filling the space of Example 3.
例7 Example 7
個別のレーザーのそれぞれが、外部空洞によって異なる波長にロックされて、アレイの輝度を単一レーザーダイオード光源の同等輝度にまで実質的に増加させる、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The array of blue laser diodes according to Example 1, wherein each of the individual lasers is locked to a different wavelength by an external cavity, substantially increasing the brightness of the array to the equivalent brightness of a single laser diode light source.
例8 Example 8
レーザーダイオードの個別のアレイが、回折格子に基づく外部空洞を使用して単一波長にロックされ、レーザーダイオードアレイのそれぞれが、狭い間隔の光学フィルター又は回折格子を使用して単一ビームに結合される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 A separate array of laser diodes is locked to a single wavelength using an external cavity based on the grating, and each of the laser diode arrays is coupled to a single beam using a narrowly spaced optical filter or grating. The blue laser diode array according to Example 1.
例9 Example 9
より高い輝度の光源を作り出すための純粋な溶融石英シリカのコアと、青色ポンプ光を包含するためのフッ素化された外側コアとを有する光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 Used to pump a raman converter such as an optical fiber with a pure fused quartz silica core to create a brighter light source and a fluorinated outer core to contain the blue pump light. , An array of blue laser diodes according to Example 1.
例10 Example 10
GeO2がドープされ、外側コアを有する、より高い輝度の光源を作り出すための中央コアと、中央コアよりも大きく、青色ポンプ光を包含するための外側コアと、を有する光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 An optical fiber-like Raman transform having a central core to create a brighter light source, which is doped with GeO 2 and has an outer core, and an outer core that is larger than the central core and contains blue pump light. The array of blue laser diodes according to Example 1 used to pump a vessel.
例11 Example 11
より高い輝度の光源を作り出すためのP2O5がドープされたコアと、青色ポンプ光を包含するための、中央コアよりも大きい外側コアと、有する光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 To pump a Raman transducer such as an optical fiber with a P2O5 doped core to create a brighter light source, an outer core larger than the central core to contain the blue pump light, and a fiber optic-like core. The array of blue laser diodes according to Example 1 used in.
例12 Example 12
より高い輝度の光源を作り出すための屈折率分布型コアと、青色ポンプ光を包含するための、中央コアよりも大きい外側コアと有する光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 Used to pump a raman converter, such as an optical fiber, with a refractive index distributed core to create a brighter light source and an outer core larger than the central core to contain the blue pump light. An array of blue laser diodes according to Example 1.
例13 Example 13
屈折率分布型のGeO2がドープされたコア及び外側のステップ型コアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 An array of blue laser diodes according to Example 1, which is used to pump a Raman transducer fiber that is a refractive index distributed GeO 2 doped core and an outer step core.
例14 Example 14
屈折率分布型のP2O5がドープされたコア及び外側のステップ型コアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The array of blue laser diodes according to Example 1 used to pump a Raman transducer fiber, which is a refractive index distributed P2O5 doped core and an outer step core.
例15 Example 15
屈折率分布型のGeO2がドープされたコアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The array of blue laser diodes according to Example 1 used to pump a Raman transducer fiber, which is a refractive index distributed GeO 2 doped core.
例16 Example 16
屈折率分布型のP2O5がドープされたコア及び外側のステップ型コアであるラマン変換器ファイバーをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The array of blue laser diodes according to Example 1 used to pump a Raman transducer fiber, which is a refractive index distributed P2O5 doped core and an outer step core.
例17 Example 17
例1の実施形態の他の実施形態及び変形例が考えられる。より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのダイアモンドのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。図13は、ダイアモンドチップからの画像1301及び青色のラマン変換されたレーザービームのスペクトラム1302を示しており、また450nmから478nmの波長のシフトを示している。より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのKGWのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのYVO4のようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より高い輝度のレーザー光源を作り出すためのBa(NO3)2のようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より高い輝度のレーザー光源を作り出すための高圧ガスのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より高い輝度のレーザー光源を作り出すための希土類元素がドープされた結晶をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より高い輝度のレーザー光源を作り出すための希土類元素がドープされたファイバーをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。より大きな比率の輝度増大を生じさせるための輝度変換器の外側コアをポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。
Other embodiments and modifications of the embodiment of Example 1 can be considered. An array of blue laser diodes according to Example 1, which is used to pump a diamond-like Raman transducer to create a brighter laser light source. FIG. 13 shows the
例18 Example 18
個別の波長で動作し、元の光源の空間輝度を保ちながらより高い出力の光源を作り出すために結合される、ラマン変換されたレーザーのアレイ。 An array of Raman-transformed lasers that operate at separate wavelengths and are coupled to create a higher output light source while preserving the spatial brightness of the original light source.
例19 Example 19
二重コアと、フィルター、ファイバーブラッグ回折格子、1次ラマン信号と2次ラマン信号に対するV数(V number)の相違、又はマイクロベンド損失の相違を使用して高輝度中央コア内の2次ラマン信号を抑制するための手段とを備える、ラマンファイバー。 A secondary Raman in a high-brightness central core using a dual core and a filter, a fiber Bragg diffraction grating, a difference in V number for the primary and secondary Raman signals, or a difference in microbend loss. Raman fiber with means for suppressing the signal.
例20 Example 20
N個のレーザーダイオードであって、ここでN≧1であり、独立してオンとオフに切り替えられ、粉末の層の上に結像されて粉末を溶かして単一部品に融合する、N個のレーザーダイオード。 N laser diodes, where N ≧ 1, independently switched on and off, imaged on a layer of powder to melt the powder and fuse it into a single component, N Laser diode.
例21 Example 21
その出力がファイバー結合される例1のN個レーザーダイオードアレイ(N≧1)であり、各ファイバーが、線状又は非線状形態で配列され、粉末上に結像又は集光されて、粉末を溶かすか又は一つの形状に層毎に融合する高出力レーザービームのアドレス可能なアレイを作り出す、N個レーザーダイオードアレイ。 In the N laser diode array (N ≧ 1) of Example 1 in which the output is fiber-coupled, each fiber is arranged in a linear or non-linear form, imaged or focused on the powder, and the powder. N laser diode arrays that create an addressable array of high power laser beams that melt or fuse layer by layer into a single shape.
例22 Example 22
ラマン変換器によって結合された1つ以上のレーザーダイオードアレイであり、その出力はファイバー結合され、各ファイバーは線状又は非線状形態で配列され、粉末を溶かすか又は一つの形状に層毎に融合するN個(N≧1)の高出力レーザービームのアドレス可能なアレイを作り出す、1つ以上のレーザーダイオードアレイ。 One or more laser diode arrays coupled by Raman transducers, the outputs of which are fiber coupled, each fiber arranged in a linear or non-linear form, melting the powder or layer by layer into a single shape. One or more laser diode arrays that produce an addressable array of N (N ≧ 1) high power laser beams to be fused.
例23 Example 23
N個(N≧1)の青色レーザー光源を、粉末層を溶かして融合しながら粉末層にわたって、レーザー光源の後ろに配置されて融合された層の後に新たな粉末層を供給するための粉末供給システムとともに移動させることができる、x-y移動システム。 N (N ≧ 1) blue laser light sources are placed behind the laser light source and placed behind the laser light source to supply a new powder layer after the fused layer while melting and fusing the powder layer. An xy mobile system that can be moved with the system.
例24 Example 24
粉末の新たな層が配置された後に例20の部品/粉末層の高さを増加/減少することができる、z-移動システム。 A z-movement system capable of increasing / decreasing the height of the part / powder layer of Example 20 after a new layer of powder has been placed.
例25 Example 25
レーザー光源で粉末層が融合された後に例20の部品/粉末層の高さを増加/減少することができる、z-移動システム。 A z-movement system capable of increasing / decreasing the height of the part / powder layer of Example 20 after the powder layers have been fused with a laser light source.
例26 Example 26
正のx方向又は負のx方向に移動しているときに粉末がレーザースポットのすぐ後ろに直接配置される、例20のための双方向粉末配置機能。 A bidirectional powder placement feature for Example 20, where the powder is placed directly behind the laser spot when moving in the positive x or negative x direction.
例27 Example 27
正のy方向又は負のy方向に移動しているときに粉末がレーザースポットのすぐ後ろに直接配置される、例20のための双方向粉末配置機能。 A bidirectional powder placement feature for Example 20, where the powder is placed directly behind the laser spot when moving in the positive y direction or the negative y direction.
例28 Example 28
N個(N≧1)のレーザービームと同軸状である粉末供給システム。 A powder supply system coaxial with N (N ≧ 1) laser beams.
例29 Example 29
粉末が重力送りされる粉末供給システム。 A powder supply system in which powder is sent by gravity.
例30 Example 30
粉末が不活性ガス流れに同伴される粉末供給システム。 A powder supply system in which the powder is accompanied by an inert gas stream.
例31 Example 31
N個(N≧1)のレーザービームを横断していて、粉末がレーザービームのすぐ前に重力で配置される、粉末供給システム。 A powder supply system that traverses N (N ≧ 1) laser beams and places the powder in gravity directly in front of the laser beams.
例32 Example 32
N個(N≧1)のレーザービームを横断していて、粉末がレーザービームと交差する不活性ガス流れに同伴される、粉末供給システム。 A powder supply system that traverses N (N ≧ 1) laser beams and is accompanied by an inert gas stream that intersects the laser beams.
例33 Example 33
例えば460nmでラマン変換器の出力を使用して、光源レーザーの半分の波長すなわち230nmの波長の光を発生させる第二高調波発生システムであって、KTPのような外部共振倍増結晶を備えるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第二高調波発生システム。 For example, a second harmonic generation system that uses the output of a Raman converter at 460 nm to generate light at half the wavelength of a light source laser, i.e. 230 nm, and comprises an external resonance doubling crystal such as KTP. A second harmonic generation system that prevents light of that short wavelength from propagating through optical fibers.
例34 Example 34
例えば460nmでラマン変換器の出力を使用して、外部共振倍増結晶で115nmの波長の光を発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第三高調波発生システム。 For example, at 460 nm, the output of a Raman transducer is used to generate light with a wavelength of 115 nm in an external resonant doubled crystal, but the short wavelength light cannot propagate through the optical fiber, the third harmonic. Wave generation system.
例35 Example 35
例えば460nmでラマン変換器の出力を使用して、外部共振倍増結晶で57.5nmの波長の光を発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第四高調波発生システム。 For example, at 460 nm, the output of a Raman transducer is used to generate light with a wavelength of 57.5 nm in an external resonant doubled crystal, but the short wavelength light cannot propagate through the optical fiber. Four harmonic generation system.
例36 Example 36
450nmの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムのような希土類元素がドープされた輝度変換器を使用し、光源レーザーの半分の波長すなわち236.5nmの光を外部共振倍増結晶を使用して発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第二高調波発生システム。 Using a rare earth element-doped brightness converter such as turium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes, it externally emits light at half the wavelength of the light source laser, ie 236.5 nm. A second harmonic generation system that uses a resonant doubled crystal to generate, but prevents light of that short wavelength from propagating through an optical fiber.
例37 Example 37
450nmの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムのような希土類元素がドープされた輝度変換器を使用し、118.25nmの光を外部共振倍増結晶を使用して発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第三高調波発生システム。 Using a rare earth element-doped brightness converter such as thulium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes, using an external resonant doubled crystal to emit 118.25 nm light. A third harmonic generation system that generates, but prevents that short wavelength light from propagating through an optical fiber.
例38 Example 38
450nmの青色レーザーダイオードのアレイによってポンプされたときに473nmでレーザーを放出するツリウムのような希土類元素がドープされた輝度変換器を使用し、59.1nmの光を外部共振倍増結晶を使用して発生させるが、その短い波長の光が光ファイバーを通って伝搬することはできないようにする、第三高調波発生システム。 Using a rare earth element-doped brightness converter such as thulium that emits a laser at 473 nm when pumped by an array of 450 nm blue laser diodes, 59.1 nm light using an external resonant doubled crystal. A third harmonic generation system that generates, but prevents that short wavelength light from propagating through an optical fiber.
例39 Example 39
高出力450nmの光源によってポンプされて、可視又は近可視の出力を発生させる、全ての他の希土類元素がドープされたファイバー及び結晶は例34-38において使用することができる。
Fibers and crystals doped with all other rare earth elements pumped by a
例40 Example 40
ラマン又は希土類元素がドープされたコアファイバーの内側コアをポンプするための、非円形の外側コア又はクラッドへの高出力可視光の発射。 High power visible light emission to a non-circular outer core or clad to pump the inner core of a core fiber doped with Raman or rare earth elements.
例41 Example 41
ポンプの偏光をラマン発信器の偏光に整合させることによってラマンファイバーの利得を向上するための、偏光保持ファイバーの使用。 Use of polarization-retaining fiber to improve the gain of Raman fiber by matching the polarization of the pump to the polarization of the Raman transmitter.
例42 Example 42
特定の偏光のより高い輝度の光源を作り出すように構成された光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 An array of blue laser diodes according to Example 1, which is used to pump a Raman transducer such as an optical fiber configured to produce a higher brightness light source of a particular polarization.
例43 Example 43
特定の偏光のより高い輝度の光源を作り出し、且つポンプ光源の偏光状態を維持するように構成された光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 The blue laser diode according to Example 1 used to pump a Raman converter, such as an optical fiber, configured to create a brighter light source of a particular polarization and to maintain the polarization state of the pump light source. Array of.
例44 Example 44
ラマン変換効率を改善するように構成された非円形の外側コアで特定の偏光のより高い輝度の光源を作り出すように構成された光ファイバーのようなラマン変換器をポンプするために使用される、例1に記載の青色レーザーダイオードのアレイ。 Used to pump a Raman transducer, such as an optical fiber, configured to produce a higher brightness light source for a particular polarization with a non-circular outer core configured to improve Raman conversion efficiency, eg The array of blue laser diodes according to 1.
例45 Example 45
例1から44の実施形態は、1つ以上の以下の部品又はアッセンブリを含むこともできる:レーザーが粉末層上をスキャンする前に各経路の終わりで粉末を平らにするための装置;より大きな出力のビームを作り出すために、ファイバー結合器を介して複数の低出力レーザーモジュールを結合することによってレーザーの出力を拡大(scaling)する装置;より大きな出力のビームを作り出すために、複数の低出力レーザーモジュールを自由空間を介して結合して青色レーザーモジュールの出力を拡大するための装置;埋め込まれた冷却器を備える単一ベースプレート上で複数のレーザーモジュールを結合するための装置。 The embodiments of Examples 1-44 may also include one or more of the following parts or assemblies: a device for flattening the powder at the end of each path before the laser scans over the powder layer; larger. A device that scales the power of a laser by coupling multiple low power laser modules through a fiber coupler to produce a beam of power; multiple low powers to produce a higher power beam. A device for coupling laser modules through free space to increase the output of a blue laser module; a device for coupling multiple laser modules on a single base plate with an embedded cooler.
本発明の実施形態の主題であるか又はそれに関連する新規で革新的な性能、他の長所、及び特性の根底にある理論を提供したり又はそれに取り組んだりする必要はないことに留意されたい。それにもかかわらず、本明細書には、この重要な領域の技術、特にレーザー、レーザー加工、及びレーザー応用の重要な分野の技術をさらに進めるためにさまざまな理論が提供されている。本明細書で出されたそれらの理論は、明示的に記載されていなければ、請求項に記載された発明に与えられる保護範囲を全く限定も制限も狭めることもしない。これらの理論は、本発明を利用するために必要とされず又は実行されないかもしれない。本発明は、本発明の方法、物品、材料、装置、及びシステムの実施形態の動作、機能、及び特徴を説明するために新規でこれまで知られていない理論を導いており、後に開発されるそのような理論は本発明に与えられる保護範囲を制限しないことを理解されたい。 It should be noted that it is not necessary to provide or work on the theory underlying the novel and innovative performance, other strengths, and properties that are the subject of or related to embodiments of the present invention. Nonetheless, various theories are provided herein to further advance technologies in this important area, especially in the areas of laser, laser machining, and laser applications. Those theories presented herein do not limit, limit or narrow the scope of protection given to the claimed invention, unless explicitly stated. These theories may not be required or implemented in order to utilize the present invention. The present invention leads to new and previously unknown theories to explain the operation, function, and features of embodiments of the methods, articles, materials, devices, and systems of the invention, which will be developed later. It should be understood that such a theory does not limit the scope of protection given to the present invention.
本明細書の表題の使用は、明確性を目的とするためであり、どのようなかたちでも限定していないことを理解されたい。よって、表題以下に記載されたプロセス及び開示はさまざまな例を含む本明細書の全体の文脈で読まれるべきである。本明細書の表題の使用は、本発明に与えられる保護範囲を限定するべきではない。 It should be understood that the use of the titles herein is for clarity purposes and is not limited in any way. Therefore, the processes and disclosures described below the title should be read in the overall context of this specification, including various examples. The use of the titles herein should not limit the scope of protection given to the invention.
本明細書に記載のシステム、レーザー、ダイオード、アレイ、モジュール、アッセンブリ、活動及び動作のさまざまな実施形態は、上述の分野及び様々な他の分野において使用できる。とりわけ、本発明の実施形態は、特許公報第WO2014/179345、2016/0067780、2016/0067827、2016/0322777、2017/0343729、2017/0341180、及び2017/0341144の方法、装置、及びシステムとともに使用可能であり、それぞれの開示全体が参照によりここに含まれる。加えて、これらの実施形態は、例えば、既存の、レーザー、積層造形システム、動作及び活動、並びに他の既存の設備、及び将来の、レーザー、積層造形システム、動作及び活動、及び部分的に本明細書の技術に基づいて改良されるそのようなアイテムとともに使用し得る。また、本明細書に記載された様々な実施形態は、相互に異なる様々な組み合わせで使用し得る。よって、例えば、本明細書の様々な実施形態に提供されている構成は、相互に使用し得る。例えば、A、A’及びBを有する実施形態のコンポーネントとA”、C及びDを有する実施形態のコンポーネントは、本明細書の教示に従って、様々な組み合わせ、例えば、A、C、D、及びAや、A”C及びDなど、とすることができる。よって、本発明に与えられる保護範囲は、特定の実施形態、例、又は特定の図の実施形態に記載された、特定の実施形態、構成、又は配置に限定されるべきではない。 Various embodiments of systems, lasers, diodes, arrays, modules, assemblies, activities and operations described herein can be used in the fields described above and in various other fields. In particular, embodiments of the present invention can be used with the methods, devices, and systems of Japanese Patent Application Laid-Open Nos. WO2014 / 179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180, and 2017/0341144. And the entire disclosure of each is included herein by reference. In addition, these embodiments include, for example, existing lasers, laminated modeling systems, operations and activities, and other existing equipment, and future lasers, laminated modeling systems, operations and activities, and in part. Can be used with such items to be improved based on the technology of the specification. Also, the various embodiments described herein can be used in various combinations that differ from each other. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments herein can be used interchangeably. For example, the components of the embodiment having A, A'and B and the components of the embodiment having A ", C and D are in various combinations, eg, A, C, D, and A, as taught herein. , A "C and D, etc. Thus, the scope of protection given to the present invention should not be limited to the particular embodiments, configurations, or arrangements described in the particular embodiments, examples, or embodiments of the drawings.
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書で具体的に開示されたもの以外の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、あらゆる点で、例示的であり、限定的ではないと考えられるべきである。
The present invention can be embodied in forms other than those specifically disclosed herein, without departing from its spirit or essential characteristics. The embodiments described should be considered exemplary and not limiting in all respects.
Claims (85)
A camera that monitors each pixel of the image and feeds back control signals to each laser in real time to control the melting and fusion of the powder and optimize the resulting surface roughness, void ratio, and stress of the component. The system according to claim 1, further comprising a system.
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