JP2023548803A - ライトバルブ冷却システム - Google Patents

Abstract

付加製造システムは、ライトバルブに向けられたレーザビームを形成するための高出力レーザを含む。ライトバルブから熱を除去するために能動ライトバルブ冷却システムが配置され、能動ライトバルブ冷却システムに熱交換器が接続される。熱交換流体は、能動ライトバルブ冷却システム及び熱交換器を循環する。

Description

［関連出願］
本開示は、その全体が参照により組み込まれる２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願６３／１０７，３０８の優先権を主張する非仮特許出願の一部である。

［技術分野］
本開示は、一般的に、高フルエンスライトバルブシステムの動作に関する。より具体的には、高い光フルエンスに曝されるライトバルブの能動的及び受動的冷却を可能にする技術、コンポーネント、及び材料。

ライトバルブを備えた高出力レーザシステムは、過剰な又は望ましくないエネルギの除去を必要とし得る。このことは特に、レーザが対象の粉末チャンバに断続的に印加されても、レーザ源の安定した長期動作の恩恵を受け得る金属付加製造（ＡＭ）の分野で当てはまる。レーザシステムの動作を中断することは、マシンの安全性に懸念を生じさせ得、ショット間のエネルギの安定性を低下させ得る。

本開示の非限定的で非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、同一の参照番号は、別段の指定がない限り、様々な図全体を通じて同一の部分を指す。
ライトバルブ構造体内での相変化冷却の使用を説明する。 単一のライトバルブ（ＬＶ）用の冷却ハウジングを説明する。 ２×２ライトバルブアレイ用の冷却ハウジングを説明する。 ライトバルブハウジングの冷却システムの詳細を説明し、ＬＶの単数又はアレイの冷却に等しく適用される。 ビームダンプ、能動ライトバルブ冷却システム、及び熱機関をサポートする高フルエンスライトバルブベースの付加製造システムのブロック図を説明する。 高フルエンス能動冷却ライトバルブベースの付加製造システムを説明する。 高フルエンス能動冷却ライトバルブベースの付加製造システムの別の実施形態を説明する。 廃エネルギの回収及び更なる使用のためのスイッチヤードアプローチを組み込んだ高フルエンス能動冷却ライトバルブベースの付加製造の別の実施形態を説明する。

以下の説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面は、開示が実践され得る具体的な例示的な実施形態を説明することによって示される。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示する概念を実践できるように十分に詳細に説明され、本開示の範囲から逸脱することなく、開示した様々な実施形態に修正を加えることができ、他の実施形態を利用できることを理解すべきである。以下の詳細な説明は、それ故、限定的な意味で解釈されるべきではない。

以下の開示では、複数のコンポーネントを有する付加製造システムの改善が説明される。そうしたシステムは、ライトバルブに向けられたレーザビームを形成するための高出力レーザを含み得る。ライトバルブから熱を除去するために能動ライトバルブ冷却システムが配置され、能動ライトバルブ冷却システムに熱交換器が接続される。熱交換流体は、能動ライトバルブ冷却システムと熱交換器を循環する。

幾つかの実施形態では、熱交換器は、付加製造システムの少なくとも１つのコンポーネントに有用なエネルギを提供するように機能する。

幾つかの実施形態では、熱交換器は、機械的動力、熱的動力、又は電力を生成するのに適した熱機関に動力を供給し得る。

幾つかの実施形態では、熱交換器は、複数のコンポーネントの内の少なくとも１つの温度を上昇させるために使用され得る。

幾つかの実施形態では、熱交換流体は相変化材料を含む。

幾つかの実施形態では、熱交換流体はライトバルブ上に噴霧される。

幾つかの実施形態では、能動ライトバルブシステムは、ライトバルブのアレイを冷却する。

図１Ａは、ライトバルブ構造体内で相変化冷却を使用する冷却システム１００Ａを説明する。この冷却方法は、透過型又は反射型ライトバルブ構造体の何れかで使用され得、ここに描写する反射型ライトバルブは、その教示を明確にするためのものである。冷却ノズル１５０Ａのアレイは、液体が高温層支持基板１４４Ａ、反射光変更構造体１３０Ａ、及び二次支持構造体１４２Ａに噴射するとき、相変化流体１５１Ａを輸送し、相変化流体１５１Ａの速度及び量を制御する。冷却液１５１Ａは、ノズル１５０Ａからの膨張作用及び高温支持構造体１４４Ａの温度によって、液体から蒸気１５２Ａへの相変化を受ける。液体の相転移（融解熱）は、熱を吸収する能力を大幅に高める。流体／ガスが高温の基板に流れて高温の基板と相互作用する速度も、熱を吸収する流体／ガスの能力を高める。高温の基板１４４Ａの界面で気相１５２Ａの乱流を増加させることは、熱を吸収する能力を更に増加させ、システムが高フルエンス光で動作できるようにする。冷却流体１５１Ａの選択、ノズル１５０Ａの設計及び構築、並びに液体から気相への相転移１５２Ａの設計された乱流の量は全て、高フルエンスシステムで発生する吸収を処理する任意のライトバルブの能力を大幅に高める。

図１Ｂは、単一のライトバルブ（ＬＶ）用の冷却ハウジングを備えた冷却システム１００Ｂを説明する。単一のＬＶ用で、その中にその他の全てのコンポーネントが配置された冷却ハウジング本体１が説明されている。ＬＶ固定具２はＬＶデバイス８を保持する。冷却ハウジング１は、ウィンドウアセンブリコンポーネント（３、４、９、及び１６）を備えたウィンドウクランプ構造体（５及び６）を含む。クランプ力は、外側フランジに印加され、冷却ハウジング１に対して締め付けられるボルト（１２及び１３）のアレイを介して印加される。冷却流体は、流体コネクタ１４、１５、１７、及び１８を使用して冷却ハウジング１を通って流れる。冷却ハウジング１への電気インターフェースは、電気コンポーネント１０として提供される。ガスケットコンポーネント並びにシール３、５、６、７、９、及び１６は、冷却流体が様々なインターフェースから漏れるのを防止するために使用される。

図１Ｃは、２×２ライトバルブアレイ用の冷却ハウジングを備えた冷却システム１００Ｃを説明する。冷却ハウジング本体１は、ＬＶのアレイ（この例では２×２アレイ）を含み、その中にその他の全てのコンポーネントが配置される。固定具２は、ＬＶガスケット８と組み合わせてＬＶデバイス４を保持する。冷却ハウジング１は、ウィンドウクランプ構造体（アイテム１０、１１、１４、及び１５で構成されるウィンドウアセンブリと組み合わせた３）を含む。クランプ力は、外側フランジに印加され、冷却ハウジング１に対して締め付けられるボルト（１２）のアレイによって印加される。冷却流体は、流体コネクタ５及び９を備えた冷却ハウジング１を通って流れる。冷却ハウジング１への電気インターフェースは、電気コンポーネント７として提供される。ガスケット及びシール６は、冷却液が様々なインターフェースから漏れるのを防止するために使用される。固定素子１２及び１３は、冷却アセンブリの適切な機能を可能にするように、取り付けられた様々なコンポーネントを冷却ハウジング１に固定し密封するために使用される。

図１Ｄは、ライトバルブハウジング用の冷却システム１００Ｄの詳細を説明し、ＬＶの単数又はアレイの冷却に等しく適用される。ＬＶハウジング１は、組み立てられたＬＶシステム（単数又はアレイ）を含む。電気制御インターフェース２は、電気活性化及び制御信号をＬＶハウジング１及びＬＶ４に運ぶ。レーザ光（矢印６）は、フロントウィンドウ３を通過し、ＬＶ４を通過し、そこでパターン化される。次に、それは背面ウィンドウ５を通過し、ＬＶハウジング１の外に出る（矢印７）。ＬＶ４の温度は、液体冷却剤をＬＶハウジング１内でそれに渡って通過させることによって制御される。ＬＶ温度は、周囲温度よりも高く又は低くなるように制御され得るが、ここでは伝熱流体は“冷却剤”と称されることに留意されたい。冷却剤の温度と流量は、それを熱交換器８に通過させることによって制御される。冷却剤は、熱交換器８の内側のポンプによってＬＶハウジング１に循環され、再び戻される。冷却ループ１１は、継手とホースを備えた入口９及び出口１０で構成される。詳細図は、キャリア１４及び圧縮ガスケット（図示せず）によって適所に整列され保持されたＬＶベースコンポーネント１２及びＬＶ能動コンポーネント１３を示す。キャリア１４及び圧縮ガスケットは、冷却剤がＬＶコンポーネント１２及び１３の２つの外面を横切って流れることができるチャネル１５を形成するように、前面ウィンドウ３と背面ウィンドウ５との間でＬＶ４を保持する。流路の高さは、ＬＶハウジング１内の機構によって正確に制御される。このことは、温度及びレーザ光の透過等、ＬＶ４の性能特性を正確に制御することを可能にする。流路の高さは、ＬＶ４の両側で同じであっても異なっていてもよいことに留意されたい。

様々な波長の広範囲のレーザが、説明された能動冷却ライトバルブシステムと組み合わせて使用され得る。幾つかの実施形態では、可能なレーザの種類は、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、ソリッドステートレーザ（例えば、ファイバ）、半導体（例えば、ダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガスダイナミックレーザ、“ニッケル様”サマリウムレーザ、ラマンレーザ、又は核励起レーザを含むが、これらに限定されない。

ガスレーザは、ヘリウムネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、キセノンイオンレーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、又はエキシマレーザ等のレーザを含み得る。

化学レーザは、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素－ヨウ素レーザ）、又はＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）等のレーザを含み得る。

金属蒸気レーザは、ヘリウム－カドミウム（ＨｅＣｄ）金属蒸気レーザ、ヘリウム－水銀（ＨｅＨｇ）金属蒸気レーザ、ヘリウム－セレン（ＨｅＳｅ）金属蒸気レーザ、ヘリウム－銀（ＨｅＡｇ）金属蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン－銅（ＮｅＣｕ）金属蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、又はマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ_２）蒸気レーザ等のレーザを含み得る。ルビジウム又はその他のアルカリ金属蒸気レーザも使用され得る。ソリッドステートレーザは、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）ソリッドステートレーザ、ネオジムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザ、ネオジムドープイットリウムカルシウムオキソボレートＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ_３）^３若しくは単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザ、チタンサファイア（Ｔｉ：サファイア）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ_３（ガラス又はセラミック）レーザ、イッテルビウムドープガラスレーザ（ロッド、プレート／チップ、及びファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウムドープリチウムストロンチウム（又はカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸ガラス（１４７Ｐｍ^＋３：ガラス）ソリッドステートレーザ、クロムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープアンデルビウム－イッテルビウム共ドープガラスレーザ、三価ウランドープフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ_２）ソリッドステートレーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ_２）レーザ、又はＦ－センターレーザ等のレーザを含み得る。

半導体レーザは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、又はそれらの組み合わせ等のレーザ媒体タイプを含み得る。

図２は、ライトバルブベースの付加製造システム２００におけるビームダンプの使用を説明する。レーザ源２０２は、レーザプリアンプ及び／又はアンプ２０４を通してレーザビームをライトバルブ２０６に向ける。パターン化後、光がプリント床２１０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、レーザ源２０２、レーザプリアンプ及び／若しくはアンプ２０４、又は能動冷却ライトバルブ２０６からの熱又はレーザエネルギは、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に能動的又は受動的に伝達され得る。ライトバルブベースの付加製造システム２００の全体的な動作は、レーザ出力及びタイミングを変更し得る１つ以上のコントローラ２２０によって制御され得る。

幾つかの実施形態では、様々なプリアンプ又はアンプ２０４がレーザ信号に高利得を提供するために任意に使用される一方、光変調器及びアイソレータは、光学的損傷を低減又は回避し、信号コントラストを改善し、システム２００の低エネルギ部分への損傷を防止するためにシステム全体に分散させられ得る。光変調器及びアイソレータは、ポッケルスセル、ファラデー回転子、ファラデーアイソレータ、音響光学反射器、又はボリュームブラッグレーティングを含み得るが、これらに限定されない。プリアンプ又はアンプ２０４は、ダイオード励起アンプ又はフラッシュランプ励起アンプであり得、シングルパス及び／若しくはマルチパス又はキャビティタイプのアーキテクチャで構成され得る。理解されるように、ここでの用語、プリアンプは、レーザアンプ（より大きい）に対して熱的に制限されない（すなわち、より小さい）アンプを示すために使用される。アンプは通常、レーザシステム２００の最終ユニットになるように配置され、熱破壊又は過度の熱レンズ効果を含むがこれらに限定されない熱損傷を受けやすい最初のモジュールであろう。

レーザプリアンプは、エネルギ効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパスプリアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各プリアンプ２０４から多くのエネルギを抽出するようにマルチパスプリアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なプリアンプ２０４の数は、システム要件及び各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、（例えば、波長板又はファラデー回転子を使用した）角度多重化又は偏光スイッチングを通じて実現され得る。

或いは、プリアンプは、再生アンプタイプの構成を有するキャビティ構造体を含み得る。そうしたキャビティ構造体は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）に起因して最大パルス長を制限し得るが、幾つかの実施形態では、“ホワイトセル”キャビティが使用され得る。“ホワイトセル”は、各パスに小さな角度偏差が追加されるマルチパスキャビティアーキテクチャである。入口と出口の経路を提供することによって、そうしたキャビティは、入口と出口との間に非常に多くのパスを有するように設計でき、アンプの大きな利得と効率的な使用とを可能にする。ホワイトセルの一例は、何度も通過した後に反射がミラー上にリングパターンを創出するようにビームが僅かに軸から外れて射出され、ミラーが傾いた共焦点キャビティであろう。射出角度とミラー角度とを調整することによって、パス数を変更できる。

アンプはまた、ダイオード又はフラッシュランプで励起されるか否かにかかわらず、システムが必要とする繰り返し率での動作を可能にするのに十分な熱管理をサポートしつつ、システムのエネルギ要件を満たすのに十分な蓄積エネルギを提供するために使用される。動作中に生成される熱エネルギ及びレーザエネルギの両方は、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に向けられ得る。

アンプは、シングル及び／若しくはマルチパス又はキャビティタイプのアーキテクチャで構成され得る。アンプは、エネルギ効率をあまり気にしないシステムで使用可能なシングルパスアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各アンプから多くのエネルギを抽出するようにマルチパスアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なアンプの数は、システム要件と各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）によって実現され得る。或いは、アンプは、再生アンプタイプの構成を備えたキャビティ構造体を含み得る。プリアンプに関して論じたように、アンプは電力増幅に使用され得る。

幾つかの実施形態では、システム２００の動作中に生成された熱エネルギ及びレーザエネルギは、熱伝達、熱機関、冷却システム、及びビームダンプ２０８に向けられ得る。代替的又は追加的に、幾つかの実施形態では、ビームバンプ２０８は、他の産業プロセスに有用な熱を提供するための熱伝達システムの一部であり得る。更に他の実施形態では、機械的動力、熱的動力、又は電力を生成するのに適した熱機関に電力を供給するために熱は使用され得る。幾つかの実施形態では、接続されたコンポーネントの温度を上昇させるために廃熱が使用され得る。理解されるように、レーザフラックス及びエネルギは、適切な熱管理と光分離とを備えたより多くのプリアンプ及びアンプを追加することによって、このアーキテクチャでスケール化され得る。性能を調整するためにポンプ速度の増加又は冷却効率の変更を使用すると共に、冷却システムの熱除去特性の調整が可能である。

図３は、本開示に説明するようなビームダンプに適応し得るライトバルブベースの付加製造システム３００の使用を説明する。図３に見られるように、レーザ源及びアンプ３１２は、能動冷却ライトバルブ及びレーザアンプ、並びに前述のようなその他のコンポーネントを含み得る。図３に説明するように、付加製造システム３００は、レーザパターン化システム３１０の一部として、１次元又は２次元の指向性エネルギを提供可能なレーザを使用する。幾つかの実施形態では、１次元パターン化は、線形又は曲線のストリップとして、ラスター化された線として、螺旋線として、又はその他の適切な形式で向けられ得る。２次元パターン化は、分離したタイル若しくは重なり合ったタイル、又はレーザ強度の変化を伴う画像を含み得る。正方形ではない境界を有する２次元画像パターンが使用され得、重複又は相互侵入画像が使用され得、画像は２つ以上のエネルギパターン化システムによって提供され得る。レーザパターン化システム３１０は、１つ以上の連続的又は断続的なエネルギビームをビーム整形光学系３１４に向けるためにレーザ源及びアンプ３１２を使用する。整形後、必要に応じて、ビームは、透過型又は反射型ライトバルブの何れかを含むレーザパターン化ユニット３１６によってパターン化され、一般的に、一部のエネルギは、廃棄エネルギ処理ユニット３１８に向けられる。廃棄エネルギ処理ユニットは、図１Ａ～図１Ｄに関して論じたように、ライトバルブの能動的な冷却によって提供される熱を利用し得る。

パターン化されたエネルギは、一実施形態では床３４６の近くに焦点を合わせた２次元画像３２２として、画像リレー３２０によって物品処理ユニット３４０に向けて中継される。床３４６（任意の壁３４８を有する）は、材料ディスペンサ３４２によって分配される材料３４４（例えば、金属粉末）を含むチャンバを形成し得る。画像リレー３２０によって向けられたパターン化されたエネルギは、溶融し得、融合し得、焼結し得、合体し得、結晶構造を変化させ得、応力パターンに影響を与え得、又は所望の特性を有する構造体を形成するために分配された材料３４４を化学的又は物理的に変化させ得る。制御プロセッサ３５０は、システム３００の任意のその他のコンポーネントと共に、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、並びにレーザ源及びアンプ３１２、ビーム整形光学系３１４、レーザパターン化ユニット３１６、及び画像リレーの動作を調整するためのコントローラに接続され得る。理解されるように、接続は、有線又は無線、連続的又は断続的であり得、フィードバック機能を含み得る（例えば、熱加熱は、センシングされた温度に応じて調整され得る）。

幾つかの実施形態では、ビーム整形光学系３１４は、レーザ源及びアンプ３１２から受け取った１つ以上のレーザビームを結合する、集束する、発散する、反射する、屈折する、均質化する、強度を調整する、周波数を調整する、又は整形してレーザパターン化ユニット３１６に向けるための多種多様な結像光学系を含み得る。一実施形態では、波長選択ミラー（例えば、ダイクロイック）又は回折素子を使用して、異なる光波長を各々有する複数の光ビームを組み合わせ得る。他の実施形態では、多面ミラー、マイクロレンズ、及び屈折又は回折光学素子を使用して、複数のビームを均質化又は結合し得る。

レーザパターン化ユニット３１６は、静的又は動的エネルギパターン化素子を含み得る。例えば、固定素子又は可動素子を備えたマスクによってレーザビームはブロックされ得る。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレッシング可能なマスキング、画像生成、又は透過を使用し得る。幾つかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、パターン化を提供するために、単独で、又は他のパターン化メカニズムと組み合わせて、アドレッシング可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過性であり得、反射性であり得、又は透過型素子と反射型素子との組み合わせを使用し得る。パターンは、電気的又は光学的アドレッシングを使用して動的に変更され得る。一実施形態では、透過型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレッシングされたピクセルは、投光光源によって画定されるパターンを形成する。別の実施形態では、反射型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、読み出しビームの偏光を変更するための書き込みビームを含む。幾つかの実施形態では、非光学的にアドレッシングされたライトバルブが使用され得る。これらは、電気的にアドレッシング可能なピクセル素子、可動ミラー若しくはマイクロミラーシステム、ピエゾ若しくはマイクロ作動光学システム、固定若しくは可動マスク、若しくはシールド、又は高強度の光パターン化を提供可能な任意のその他の従来のシステムを含み得るが、これらに限定されない。

廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、パターン化されずに画像リレー３２０を通過したエネルギを分散、方向転換、又は利用するために使用される。一実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、レーザ源、ライトバルブ、及びアンプ３１２と、レーザパターン化ユニット３１６との両方から熱を除去する受動的又は能動的冷却素子を含み得る。他の実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、レーザパターンを画定することに使用されない何れのビームエネルギも吸収して熱に変換するための“ビームダンプ”を含み得る。更に他の実施形態では、廃棄されたレーザビームエネルギは、ビーム整形光学系３１４を使用して再利用され得る。代替的に又は追加的に、廃棄されたビームエネルギは、加熱又は更なるパターン化のために物品処理ユニット３４０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、廃棄されたビームエネルギは、追加のエネルギパターン化システム又は物品処理ユニットに向けられ得る。

一実施形態では、“スイッチヤード”スタイルの光学システムが使用され得る。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンに起因する不要な光の廃棄によって引き起こされるような付加製造システムで無駄になる光を削減するのに適する。スイッチヤードは、その生成（この場合、空間パターンが構造体化又は非構造体化ビームに加えられる平面）から一連のスイッチポイントを介したその放出までの複雑なパターンのリダイレクトを伴う。各スイッチポイントは、任意に入射ビームの空間プロファイルを変更し得る。スイッチヤード光学システムは、例えば、マスクが光に適用されるレーザベースの付加製造技術で利用され得るが、これに限定されない。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、廃棄されたエネルギは、均質化された形で、又は高い電力効率若しくは高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光としてリサイクルされ得る。更に、廃棄されたエネルギは、より困難な材料を印刷するために強度を上げるためにリサイクルして再利用され得る。

画像リレー３２０は、レーザパターン化ユニット３１６から直接又はスイッチヤードを通じて（１次元又は２次元の何れかの）パターン化された画像を受信し得、それを物品処理ユニット３４０に向かってガイドし得る。ビーム整形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、結合し、集束し、発散し、反射し、屈折し、強度を調整し、周波数を調整し、又はパターン化された光を整形及び誘導するための光学系を含み得る。パターン化された光は、実質的な物理的移動を必要としない可動ミラー、プリズム、回折光学素子、又はソリッドステート光学システムを使用して向けられ得る。複数のレンズアセンブリの内の１つは、光学レンズの第１のセットと光学レンズの第２のセットとの両方のレンズアセンブリを用いて、倍率を有する入射光を提供するように構成され得、光学レンズの第２のセットは、レンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに搭載されたミラーの１つ以上のセットとビルドプラットフォームガントリに搭載された最終ミラーとの回転は、プリカーサミラーからの入射光を所望の場所に向けるために使用され得る。補償ガントリ及びビルドプラットフォームガントリの並進運動はまた、物品処理ユニット３４０のプリカーサミラーからの入射光の距離が画像距離に実質的に等しいことを保証できる。実際、これにより、システムの高い可用性を確保しつつ、異なる材料のビルド領域の場所全体で光ビームの到達サイズ及び強度をすばやく変更できる。

物品処理ユニット３４０は、壁のあるチャンバ３４８及び床３４４（纏めてビルドチャンバを画定する）と、材料を分配するための材料ディスペンサ３４２とを含み得る。材料ディスペンサ３４２は、分配し得、除去し得、混合し得、材料の種類若しくは粒子サイズの段階的変化又は変化を提供し得、又は材料の層の厚さを調整し得る。材料は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー粉末、固体から液体への熱誘起相変化及びその逆の相変化を受けることが可能なその他の溶融可能な材料、又はそれらの組み合わせを含み得る。材料は、溶融可能材料と非溶融可能材料との複合体を更に含み得、何れか又は両方のコンポーネントは、非溶融可能材料に沿って離れる、又は気化／破壊／燃焼若しくはその他の破壊的なプロセスを受けさせつつ、溶融可能であるコンポーネントを溶融するために画像リレーシステムによって選択的に目標にされ得る。幾つかの実施形態では、材料のスラリー、スプレー、コーティング、ワイヤ、ストリップ、又はシートが使用され得る。不要な材料は、送風機、真空システム、スイープ、振動、震え、傾斜、又は床３４６の反転の使用により、使い捨て又はリサイクルのために除去され得る。

材料処理コンポーネントに加えて、物品処理ユニット３４０は、３Ｄ構造体を保持及び支持するためのコンポーネント、チャンバを加熱又は冷却するためのメカニズム、補助又は支持光学系、並びに材料又は環境条件を監視又は調整するためのセンサ及び制御メカニズムを含む。物品処理ユニットは、全体的又は部分的に、不要な化学的相互作用を減らし、（特に反応性金属の場合に）火災又は爆発のリスクを軽減するために、真空又は不活性ガス雰囲気をサポートし得る。幾つかの実施形態では、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、ＳＦ６、ＣＨ４、ＣＯ、Ｎ２Ｏ、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ｉ－Ｃ４Ｈ１０、Ｃ４Ｈ１０、１－Ｃ４Ｈ８、ｃｉｃ－２，Ｃ４Ｈ７、１，３－Ｃ４Ｈ６、１，２－Ｃ４Ｈ６、Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ５Ｈ１２、ｉ－Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ６Ｈ１４、Ｃ２Ｈ３Ｃｌ、Ｃ７Ｈ１６、Ｃ８Ｈ１８、Ｃ１０Ｈ２２、Ｃ１１Ｈ２４、Ｃ１２Ｈ２６、Ｃ１３Ｈ２８、Ｃ１４Ｈ３０、Ｃ１５Ｈ３２、Ｃ１６Ｈ３４、Ｃ６Ｈ６、Ｃ６Ｈ５－ＣＨ３、Ｃ８Ｈ１０、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、ＣＨ３ＯＨ、ｉＣ４Ｈ８を含むその他の雰囲気の様々な純粋又は混合物が使用され得る。幾つかの実施形態では、冷媒又は大きな不活性分子（六フッ化硫黄を含むがこれに限定されない）が使用され得る。容積（又は数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有する封止雰囲気組成物が、選択された割合の不活性／非反応性ガスと共に使用され得る。

幾つかの実施形態では、粉体床を保持するためのビルドプラットフォームを各々有する複数の物品処理ユニット又はビルドチャンバが、１つ以上の入射エネルギビームを受け取ってビルドチャンバに向けるように配置された複数の光学機械アセンブリと組み合わせて使用され得る。複数のチャンバにより、１つ以上のビルドチャンバ内で１つ以上の印刷ジョブを同時に印刷できる。他の実施形態では、取り外し可能なチャンバ側壁は、ビルドチャンバからの印刷物の取り外しを簡素化し得、粉末材料の迅速な交換を可能にする。チャンバには、調整可能なプロセス温度制御も装備され得る。更に他の実施形態では、ビルドチャンバは、レーザ光学系の近くに配置可能な取り外し可能なプリンタカートリッジとして構成され得る。幾つかの実施形態では、取り外し可能なプリンタカートリッジは、粉体を含み得、又は粉体供給源への取り外し可能な接続をサポートし得る。アイテムの製造後、取り外し可能なプリンタカートリッジは取り外され得、新たなプリンタカートリッジと交換され得る。

別の実施形態では、１つ以上の物品処理ユニット又はビルドチャンバは、固定の高さに維持されるビルドチャンバを有し得る一方、光学系は垂直方向に移動可能である。ビルドプラットフォームを固定の高さに保ちつつ、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上向きに動かすことによって、レンズアセンブリの最終光学系と粉末床の上面との間の距離を本質的に一定に管理し得る。有利なことに、ビルドプラットフォームを垂直方向に動かす場合と比較して、ビルドプラットフォームの質量をミクロン単位で正確に動かす必要がないため、大きくて重い物体をより簡単に製造できる。通常、体積が約０．１～０．２立方メートルを超える（すなわち、１００～２００リットルを超える、又は５００～１，０００ｋｇを超える）金属粉末用のビルドチャンバは、ビルドプラットフォームを一定の高さに保つことにより最も利点を得るであろう。

一実施形態では、ビルドプラットフォームの粉末床の層の別の部分を含むように、粉末床の層の融合部分から１つ以上の一時的な壁を形成するために、粉末床の層の一部分は選択的に溶融又は融合され得る。選択された実施形態では、熱管理の改善を可能にするために、流体通路を１つ以上の第１の壁に形成し得る。

幾つかの実施形態では、付加製造システムは、粉末床をホッパー内のビルドプラットフォームから実質的に分離するために、傾斜、反転、及び震えが可能な粉末床を支持するビルドプラットフォームを備えた物品処理ユニット又はビルドチャンバを含み得る。粉末床を形成する粉末材料は、後の印刷ジョブで再利用するためにホッパー内に収集され得る。粉末収集プロセスは自動化され得、粉末の撤去及び除去を支援するために真空又はガスジェットシステムも使用され得る。

幾つかの実施形態では、付加製造システムは、利用可能なビルドチャンバよりも長い部品を容易に取り扱うように構成され得る。連続（長い）部分は、第１のゾーンから第２のゾーンまで縦方向に順次進められ得る。第１ゾーンでは、粒状材料の選択された顆粒を合体させ得る。第２のゾーンでは、粒状材料の合体していない顆粒を除去し得る。連続部分の最初の部分は、第２のゾーンから第３のゾーンに進められ得るが、連続部分の最後の部分は第１のゾーン内で形成され、最初の部分は、第１のゾーン及び第２のゾーン内で最初の部分が占める長手方向及び横方向において同じ位置に維持される。実際には、付加製造及びクリーンアップ（例えば、未使用又は未合体の粒状材料の分離及び／又は再利用）は、粒状材料及び／又は部品の除去のために停止する必要なく、部品コンベア上の異なる場所又はゾーンで並行して（すなわち、同時に）実施され得る。

別の実施形態では、筐体の内部と筐体の外部との間のガス状物質の交換を制限する筐体の使用によって、付加製造能力を向上させ得る。エアロックは、内部と外部との間の界面を提供し、内部は、粉末床融解をサポートするものを含む、複数の付加製造チャンバを有する。ガス管理システムは、内部の気体酸素を限界酸素濃度以下に維持し、システムで使用され得る粉末の種類と処理の柔軟性を高める。

別の製造実施形態では、物品処理ユニット又はビルドチャンバを筐体内に収容することによって性能を向上させることができ、ビルドチャンバは、２，０００キログラム以上の重量を有する部品を創出することができる。ガス管理システムは、筐体内の気体酸素を雰囲気レベル未満の濃度に維持し得る。幾つかの実施形態では、エアロックは筐体内のガス環境と筐体外のガス環境との間を緩衝するように動作するので、車輪付き車両は、エアロックを通じて部品を筐体内から、並びに筐体及びエアロックの両方の外部の場所に輸送し得る。

他の製造実施形態は、粉末床からリアルタイムで粉末サンプルを収集することを含む。インジェスタシステムは、粉体サンプルのプロセス内での収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施され得、特性評価の結果は、粉末床融合プロセスの調整につながる。インジェスタシステムは、監査、プロセス調整、又はプリンタパラメータの変更若しくは認可された粉末材料の適切な使用の検証等のアクションの内の１つ以上に任意に使用され得る。

付加製造プロセスに対する更に別の改善は、クレーン、リフトガントリ、ロボットアーム、又は説明される動きを人間が行うのが困難又は不可能な部品の操作を可能にする同様のもの等のマニピュレータデバイスの使用によって提供され得る。マニピュレータデバイスは、部品の再配置又は操縦を可能にするために、部品上の様々な永続的又は一時的な付加製造操作ポイントを把持し得る。

制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザアンプ、光学系、熱制御、ビルドチャンバ、及びマニピュレータデバイスを含む、本明細書に説明する付加製造システム３００の任意のコンポーネントを制御するために接続され得る。制御プロセッサ３５０は、動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、及びコントローラに接続され得る。イメージャ、光強度モニタ、熱、圧力、又はガスセンサを含む幅広いセンサは、制御又は監視に使用される情報を提供するために使用され得る。制御プロセッサは、単一の中央制御装置であり得、或いは、１つ以上の独立した制御システムを含み得る。コントローラプロセッサ３５０には、製造命令の入力を可能にするためのインターフェースが提供される。幅広いセンサを使用することにより、品質、製造スループット、及びエネルギ効率を向上させる様々なフィードバック制御メカニズムが可能になる。

付加製造又は減法製造に適した製造システムの動作の一実施形態が図４に説明されている。この実施形態では、フローチャート４００は、説明した光学的及び機械的コンポーネントによってサポートされる製造プロセスの一実施形態を説明する。ステップ４０２において、材料は床、チャンバ、又はその他の適切な支持体に配置される。材料は、サブトラクティブ製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、又は結晶構造体の変化、応力パターンへの影響、又は所望の特性を有する構造体を形成するための付加製造技術による化学的又は物理的変更のために溶融、融合、焼結が可能な粉末であり得る。

ステップ４０４において、パターン化されていないレーザエネルギは、ソリッドステートレーザ又は半導体レーザを含むがこれらに限定されない１つ以上のエネルギエミッタによって放出され、その後、１つ以上のレーザアンプによって増幅される。ステップ４０６において、パターン化されていないレーザエネルギは整形され、変更される（例えば、強度が変調され又は集束される）。ステップ４０８において、このパターン化されていないレーザエネルギは、ステップ４１０において処理されるパターンの一部を形成しないエネルギでパターン化される（これは、パターン化された若しくはパターン化されていないエネルギとしてのリサイクルされる廃熱、又はステップ４０４においてレーザアンプを冷却することによって生成される廃熱への変換を提供する、図２及び図３に関して開示したようなビームダンプの使用を含み得る）。ステップ４１２において、１次元又は２次元の画像を現在形成しているパターン化されたエネルギが材料に向かって中継される。ステップ４１４において、３Ｄ構造体の一部分を減算処理するか加算構築するかの何れかで、画像が材料に印加される。付加製造の場合、材料の最上層の必要な全ての領域に画像（又は別の後続の画像）が印加されるまで、これらのステップが繰り返され得る（ループ４１６）。材料の最上層へのエネルギの印加が終了した場合、３Ｄ構造体の構築を続けるために、新たな層が印加され得る（ループ４１８）。これらのプロセスループは、残りの余分な材料が除去又はリサイクルされ得る場合に３Ｄ構造体が完成するまで続けられる。

図５は、パターン化された２次元エネルギの再利用を可能にするスイッチヤードシステムを含む付加製造システムの一実施形態である。付加製造システム５２０は、１つ以上の連続的又は断続的なレーザビームをビーム整形光学系５１４に向けるレーザ及びアンプ源５１２を備えたエネルギパターン化システムを有する。過剰な熱は、図１Ａ～図１Ｄ、図２、図３、及び図４に関して開示したような能動ライトバルブ冷却システムを含み得る廃棄エネルギ処理ユニット５２２に転送され得る。整形後、ビームは、エネルギパターン化ユニット５３０によって２次元的にパターン化され、一般的に、一部のエネルギは、廃棄エネルギ処理ユニット５２２に向けられる。パターン化されたエネルギは、複数の画像リレー５３２の内の１つによって、１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ、又は５３４Ｄに向けて、通常、可動又は固定の高さの床の近くに焦点を合わせた２次元画像として中継される。床は、粉末ホッパー又は同様の材料ディスペンサを含むカートリッジの内側にあり得る。画像リレー５３２によって向けられるパターン化されたレーザビームは、溶融し得、融合し得、焼結し得、合体し得、結晶構造を変更し得、応力パターンに影響を与え得、又は所望の特性を備えた構造体を形成するように分配された材料を化学的又は物理的に変更し得る。

この実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、廃棄されたパターン化エネルギの再利用を可能にするための複数のコンポーネントを有する。レーザアンプ及びソース５１２からの冷却流体は、発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、又はエネルギダンプ５２６の内の１つ以上に向けられ得る。また、リレー５２８Ａ、５２８Ｂ、及び５２８Ｃは、エネルギを発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、又はエネルギダンプ５２６にそれぞれ転送し得る。任意に、リレー５２８Ｃは、更なる処理のために、パターン化されたエネルギを画像リレー５３２に向け得る。他の実施形態では、パターン化されたエネルギは、レーザ及びアンプ源５１２によって提供されたレーザビームに挿入するためにリレー５２８Ｃによってリレー５２８Ｂ及び５２８Ａに向けられ得る。パターン化された画像の再利用は、画像リレー５３２を使用しても可能である。１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ～Ｄに分配するために、画像はリダイレクト、反転、ミラー化、サブパターン化、又はその他の方法で変換され得る。有利なことに、パターン化された光の再利用は、付加製造プロセスのエネルギ効率を改善し得、幾つかの場合、床に向けられるエネルギ強度を改善し得、又は製造時間を短縮し得る。

前述の説明及び関連する図面に提示された教示の利益を有する当業者は、発明の多くの修正及びその他の実施形態を想到するであろう。それ故、発明は開示された特定の実施形態に限定されるべきではなく、修正及び実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれることを意図することが理解される。本発明のその他の実施形態は、本明細書に具体的に開示されていない要素／ステップがなくても実践できることも理解される。

Claims (20)

1. ライトバルブに向けられたレーザビームを形成するためのレーザと、
   前記ライトバルブから熱を除去するように配置された能動ライトバルブ冷却システムと、
   前記能動ライトバルブ冷却システムに接続された熱交換器と、
   前記能動ライトバルブ冷却システム及び前記熱交換器を循環する熱交換流体と
   を含む、付加製造システム。
2. 前記熱交換器は、前記付加製造システムの少なくとも１つのコンポーネントにエネルギを提供するように接続される、請求項１に記載の付加製造システム。
3. 前記熱交換器は、機械的動力、熱的動力、又は電力を生成できる熱機関に動力を供給できる、請求項１に記載の付加製造システム。
4. 前記熱交換器は、選択されたコンポーネントの温度を上昇させるように、前記付加製造システムの前記選択されたコンポーネントに接続できる、請求項１に記載の付加製造システム。
5. 前記熱交換流体は相変化材料を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
6. 前記熱交換流体は前記ライトバルブ上に噴霧される、請求項１に記載の付加製造システム。
7. 前記能動ライトバルブシステムはライトバルブのアレイを冷却する、請求項１に記載の付加製造システム。
8. 複数のレーザを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
9. 前記ライトバルブは、前記レーザからの光を２次元的にパターン化する、請求項１に記載の付加製造システム。
10. 少なくとも１つのライトバルブからの光を受け取るように配置された複数の物品処理ユニット及びビルドチャンバを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
11. レーザからのレーザビームをライトバルブに向けることと、
    能動ライトバルブ冷却システム及び前記能動ライトバルブ冷却システムに接続された熱交換器を用いて前記ライトバルブから熱を除去することと、
    前記能動ライトバルブ冷却システム及び前記熱交換器を通して熱交換流体を循環させること
    を含む、付加製造方法。
12. 前記熱交換器は、前記付加製造システムの少なくとも１つのコンポーネントにエネルギを提供するように接続される、請求項１１に記載の付加製造方法。
13. 前記熱交換器は、機械的動力、熱的動力、又は電力を生成できる熱機関に動力を供給できる、請求項１１に記載の付加製造方法。
14. 前記熱交換器は、選択されたコンポーネントの温度を上昇させるように、前記付加製造システムの前記選択されたコンポーネントに接続できる、請求項１１に記載の付加製造方法。
15. 前記熱交換流体は相変化材料を含む、請求項１１に記載の付加製造方法。
16. 前記熱交換流体は前記ライトバルブ上に噴霧される、請求項１１に記載の付加製造方法。
17. 前記能動ライトバルブシステムはライトバルブのアレイを冷却する、請求項１１に記載の付加製造方法。
18. 複数のレーザを更に含む、請求項１１に記載の付加製造方法。
19. 前記ライトバルブは、前記レーザからの光を２次元的にパターン化する、請求項１１に記載の付加製造方法。
20. 少なくとも１つのライトバルブから光を受け取るように配置された複数の物品処理ユニット及びビルドチャンバを更に含む、請求項１１に記載の付加製造方法。