JP2022517490A - 付加製造用のレーザ制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] 本出願は、2019年1月23日出願の「付加製造用のレーザ制御システム」という名称の米国仮特許出願第62/795,693号の米国特許法第119条(e)に基づく優先権を主張するものであり、上記仮特許出願の全体を参照により本明細書に援用する。
[0002] 開示される実施形態は、レーザ制御システム及び関連の方法に関する。いくつかの実施形態は、付加製造システム用のレーザ制御システムに関する。
[0003] 粉末床溶融プロセスは、付加製造プロセスの一例であり、層ごとのプロセスで材料を選択的に接合することによって3次元形状が形成される。金属粉末床溶融プロセスでは、金属粉末の薄層にわたって1つ又は複数のレーザビームが走査される。レーザ出力、レーザスポットサイズ、及び/又はレーザ走査速度などの様々なレーザパラメータが、送達されるエネルギーが金属粉末の粒子を溶融するのに十分であるレジーム内にある場合、1つ又は複数のメルトプールを構築面に確立することができる。固化されたメルトプールのトラックが、3次元印刷部品の2次元スライスに対応する形状を作成するように、レーザビームは所定の軌道に沿って走査される。層の完成後、粉末表面は所定の距離でインデックスが付けられ、次の粉末層が構築面に広げられ、レーザ走査プロセスが繰り返される。多くの用途では、下層の部分的な再溶融と、連続する層の融合とを行えるように、層の厚さとレーザ出力密度とを設定することができる。層のインデックス付け及び走査は、所望の3次元形状が製造されるまで複数回繰り返される。
[0005] 一実施形態では、レーザアレイを制御するためのレーザ制御システムは、レーザアレイの位置を検出して位置信号を生成するように構成された位置センサを備える。レーザアレイは、複数のレーザ源を備える。レーザ制御システムは、位置信号に基づいて、複数のレーザエネルギー源のうちの1つ又は複数のレーザエネルギー源をトリガするように構成されたコントローラをさらに備える。
[0012] 添付図面は、正確な縮尺で描くことを意図されていない。図面中、様々な図に示される同一又はほぼ同一の各構成要素は、同様の番号で表されることがある。見やすくするために、あらゆる図面ですべての構成要素に参照符号が付されているわけではない。
[0021] 金属粉末床溶融システムなど、レーザエネルギー源を利用するいくつかの付加製造システムでは、金属粉末にレーザ出力を選択的に供給して、望まれる場所で固体金属を生成し、残りの粉末は未溶融のままにすることによって付加製造プロセスが制御される。選択することができる複数のパラメータと、それらのパラメータが付加製造プロセスに及ぼす非常に非線形の相互作用とにより、これらのシステムの複雑性が生じ得ることを本発明者らは理解した。多くの場合に重要であるプロセスパラメータとしては、限定はしないが、レーザ出力、レーザスポットサイズ及び形状、レーザ出力分布、レーザ走査速度(すなわち、走査方向に沿った粉末床上でのレーザスポットの速度)、ハッチング距離(すなわち、連続する走査間の距離)、及び粉末層の厚さが挙げられる。レーザ出力や走査速度などいくつかのパラメータは、迅速に調節することができ、例えば単一部品のための製造プロセス中に何度も調節することができるが、レーザスポットサイズや出力分布など他のパラメータは、特定の付加製造システムのために設定することができる。所与の粉末サイズ及び材料に関して、これらのプロセスパラメータは、付加製造プロセス中に安定したメルトプールが実現され、最終的に製造された部品が完全に又はほぼ完全に稠密になるように選択される。
Claims (55)
- レーザアレイを制御するためのレーザ制御システムであって、
レーザアレイの位置を検出して、位置信号を生成するように構成された位置センサであって、前記レーザアレイが複数のレーザ源を備える、位置センサと、
前記位置信号に基づいて、前記複数のレーザエネルギー源のうちの1つ又は複数のレーザエネルギー源をトリガするように構成されたコントローラと、
を備えるレーザ制御システム。 - 前記コントローラが、
前記位置センサに動作可能に結合された第1のコントローラであって、
前記位置信号を受信し、
前記位置信号をレーザトリガ位置のリストと比較し、
前記位置信号と前記レーザトリガ位置のリストとの前記比較に基づいて、トリガ信号を生成する、ように構成された第1のコントローラと、
前記第1のコントローラ及び前記複数のレーザ源に動作可能に結合された第2のコントローラであって、
前記トリガ信号を受信し、
前記トリガ信号を受信すると、前記複数のレーザ源のうちのレーザ源の部分集合に発射信号を送信する、ように構成された第2のコントローラと、
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記レーザアレイが、構築面と、前記構築面に対して移動可能であり、前記構築面にレーザエネルギーピクセルのアレイを形成するために前記レーザアレイから前記構築面に向けてレーザエネルギーを指向するように構成された光学アセンブリとを備える付加製造システムの一部を形成する、請求項2に記載のシステム。
- 前記付加製造システムが、前記構築面に対して前記光学アセンブリを移動させるためのシステムを備える、請求項3に記載のシステム。
- 前記レーザ源の部分集合が、前記レーザトリガ位置のリストの第1のレーザトリガ位置に対応する第1のレーザパターンに基づいて選択される、請求項2に記載のシステム。
- 前記第2の制御が、前記発射信号の送信後に、前記レーザトリガ位置のリストの第2のレーザトリガ位置に対応する第2のレーザパターンに移行するようにさらに構成される、請求項5に記載のシステム。
- 前記第2のコントローラが、第2のトリガ信号を受信すると、第2の発射信号をレーザ源の第2の部分集合に送信するようにさらに構成される、請求項6に記載のシステム。
- 前記レーザ源の第2の部分集合が前記第2のレーザパターンに基づいて選択され、前記第2のトリガ信号が前記第2のレーザトリガ位置に対応する、請求項7に記載のシステム。
- 第2のコントローラが、前記複数のレーザエネルギー源の個々のレーザエネルギー源を制御するように構成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記レーザ源の部分集合の各レーザ源が、前記第2のコントローラから前記発射信号を受信すると、出力設定をトグルするように構成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記出力設定が、パルス幅変調設定、オン又はオフ状態、アナログ出力、及び/又はオンタイムの少なくとも1つを含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記第1のコントローラが、前記レーザトリガ位置のリストを記憶するように構成された第1のメモリを備え、前記第2のコントローラが、複数のレーザパターンを記憶するように構成された第2のメモリを備える、請求項2に記載のシステム。
- 前記レーザトリガ位置のリストの各レーザトリガ位置が、前記複数のレーザパターンのうちの1つ又は複数のレーザパターンに対応する、請求項12に記載のシステム。
- 前記複数のレーザパターンの各レーザパターンが、前記複数のレーザ源の各レーザ源に関する発射状態を含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記第2のコントローラが複数の制御ユニットを含み、各制御ユニットが、前記複数のレーザ源の部分集合を制御するように構成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記第1のコントローラからの前記トリガ信号が、前記トリガ信号を前記複数の制御ユニットの各制御ユニットに送達するために分割される、請求項15に記載のシステム。
- 前記位置センサが、第1の周波数で位置信号を生成するように構成され、前記第1のコントローラが、前記第1の周波数よりも低い第2の周波数でトリガ信号を生成するように構成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記第1の周波数が1MHz~50MHzであり、前記第2の周波数が1Hz~1MHzである、請求項17に記載のシステム。
- 前記複数のレーザ源の各レーザ源の相対位置が、前記レーザアレイ内で固定されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記位置信号が、エンコーダ信号、及び/又はタイミング信号に基づく推定位置のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のシステム。
- コントローラが、1つ若しくは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ及び/又は1つ若しくは複数の特定用途向け集積回路を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数のレーザ源の各レーザ源が独立して制御可能である、請求項1に記載のシステム。
- 前記レーザアレイが、2~2000個のレーザ源を備える、請求項1に記載のシステム。
- レーザアレイを制御する方法であって、
複数のレーザエネルギー源を備えるレーザアレイの位置を決定すること、及び
前記レーザアレイの前記位置に基づいて、前記1つ又は複数のレーザエネルギー源の動作を選択的に制御すること、
を含む方法。 - 前記レーザアレイの前記位置を決定することが、第1のコントローラで位置信号を受信することを含み、前記1つ又は複数のレーザエネルギー源を選択的に制御することが、
前記位置信号をレーザトリガ位置のリストと比較すること、
前記位置信号と前記レーザトリガ位置のリストとの前記比較に基づいて、トリガ信号を生成すること、
第2のコントローラで前記トリガ信号を受信すること、及び
前記トリガ信号を受信すると、前記複数のレーザ源のうちのレーザ源の部分集合に発射信号を送信すること
を含む、請求項24に記載の方法。 - 前記レーザエネルギー源の部分集合からのレーザエネルギーを付加製造システムの構築面に向けること
をさらに含む請求項25に記載の方法。 - 前記レーザ源の部分集合が、前記レーザトリガ位置のリストの第1のレーザトリガ位置に対応する第1のレーザパターンに基づいて選択される、請求項25に記載の方法。
- 前記発射信号の送信後に、前記レーザトリガ位置のリストの第2のレーザトリガ位置に対応する第2のレーザパターンに移行することをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 第2のトリガ信号を受信すると、第2の発射信号をレーザ源の第2の部分集合に送信するようにすることをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記レーザ源の第2の部分集合が前記第2のレーザパターンに基づいて選択され、前記第2のトリガ信号が前記第2のレーザトリガ位置に対応する、請求項29に記載の方法。
- 前記位置信号が、第1の周波数を有し、前記トリガ信号が、前記第1の周波数よりも低い第2の周波数を有する、請求項25に記載の方法。
- 前記第1の周波数が1MHz~50MHzであり、前記第2の周波数が1Hz~1MHzである、請求項31に記載の方法。
- 前記発射信号を受信すると、前記レーザ源の部分集合の各レーザ源の出力設定をトグルすることをさらに含む請求項25に記載の方法。
- 前記出力設定が、パルス幅変調設定、オン/オフ状態、アナログ出力、及び/又はオンタイムの少なくとも1つを含む、請求項33に記載の方法。
- 前記トリガ位置のリストを前記第1のコントローラの第1のメモリに保存すること、及び
前記第2のコントローラの第2メモリに複数のレーザパターンを記憶すること、
をさらに含む請求項25に記載の方法。 - 前記レーザトリガ位置のリストの各レーザトリガ位置が、前記複数のレーザパターンのうちの1つ又は複数のレーザパターンに対応する、請求項35に記載の方法。
- 前記複数のレーザパターンの各レーザパターンが、前記複数のレーザ源の各レーザ源に関する発射状態を含む、請求項36に記載の方法。
- 前記第2のコントローラが複数の制御ユニットを備え、各制御ユニットが、前記複数のレーザ源の部分集合を制御するように構成される、請求項25に記載の方法。
- 前記トリガ信号を分割すること、及び前記複数の制御ユニットの各制御ユニットに前記トリガ信号を送達することをさらに含む、請求項38に記載の方法。
- 前記レーザアレイの前記位置を決定することが、位置センサを用いて前記レーザアレイの位置を検出すること、及び/又はタイミング信号に基づいて前記レーザアレイの位置を推定することの少なくとも1つを含む、請求項24に記載の方法。
- 構築面と、
複数のレーザエネルギー源と、
前記構築面に対して移動可能であり、前記構築面にレーザエネルギーピクセルのアレイを形成するために前記複数のレーザエネルギー源から前記構築面に向けてレーザエネルギーを指向するように構成された光学アセンブリであって、前記アレイ内の各レーザエネルギーピクセルの相対位置が固定され、前記構築面に対する前記光学アセンブリの移動が、前記構築面に対して前記複数のレーザエネルギー源を移動させる、光学アセンブリと、
前記光学アセンブリの位置を検出するように構成された位置センサと、
レーザ制御システムと、
を備える付加製造システムであって、前記レーザ制御システムが、
前記位置センサから位置信号を受信し、前記位置信号に基づいてトリガ信号を生成するように構成された第1のコントローラと、
前記トリガ信号を受信し、前記複数のレーザエネルギー源の部分集合に発射信号を送信し、前記トリガ信号を受信すると、前記レーザエネルギーピクセルのアレイの部分集合を選択的にアクティブ化するように構成された第2のコントローラと、
を備える、付加製造システム。 - 前記位置センサが、アクチュエータのエンコーダを備え、前記位置信号が、前記アクチュエータからのエンコーダ信号を含む、請求項41に記載の付加製造システム。
- エンコーダが、第1の周波数で前記エンコーダ信号を生成し、前記第1のコントローラが、前記第1の周波数よりも低い第2の信号で前記トリガ信号を生成するように構成される、請求項42に記載の付加製造システム。
- 前記第1の周波数が1MHz~50MHzであり、第2の周波数が1Hz~1MHzである、請求項43に記載の付加製造システム。
- 前記位置センサが、タイミング信号、及び前記光学アセンブリに関する位置プロファイルに基づいて、前記光学アセンブリの位置を推定するように構成される、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記第1のコントローラ及び前記第2のコントローラのそれぞれが、フィールドプログラマブルゲートアレイ及び/又は特定用途向け集積回路のうちの少なくとも1つを含む、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記第2のコントローラが、複数のデジタル出力を備え、各デジタル出力が、前記複数のレーザエネルギー源のレーザエネルギー源に結合される、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記第2のコントローラが複数の制御ユニットを含み、各制御ユニットが、前記複数のレーザエネルギー源の部分集合を制御するように構成される、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記第1のコントローラからの前記トリガ信号が、前記トリガ信号を前記複数の制御ユニットの各制御ユニットに送達するために分割される、請求項48に記載の付加製造システム。
- 前記第1のコントローラが、レーザトリガ位置のリストを記憶するように構成された第1のメモリを備え、前記第1のコントローラが、前記位置信号と前記レーザトリガ位置のリストとの比較に基づいて前記トリガ信号を生成するように構成される、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記第2のコントローラが、複数のレーザパターンを記憶するように構成された第2のメモリを備え、前記レーザトリガ位置のリストの各レーザトリガ位置が、前記複数のレーザパターンのうちの1つ又は複数のレーザパターンに対応する、請求項50に記載の付加製造システム。
- 前記位置センサが、第1の軸に沿った前記光学アセンブリの位置を検出するように構成された第1の位置センサと、第2の軸に沿った前記光学アセンブリの位置を検出するように構成された第2の位置センサとを含む、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記位置信号が、前記第1の軸及び/又は前記第2の軸に沿った前記光学アセンブリの位置に対応する、請求項52に記載の付加製造システム。
- 前記複数のレーザエネルギー源の各レーザエネルギー源が独立して制御可能である、請求項41に記載の付加製造システム。
- 前記複数のレーザエネルギー源が、2~2000個のエネルギー源を含む、請求項41に記載の付加製造システム。
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