JP2024521641A - 光誘導および動的ビーム成形の少なくとも一方を使用したアディティブマニュファクチャリング - Google Patents

光誘導および動的ビーム成形の少なくとも一方を使用したアディティブマニュファクチャリング Download PDF

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Abstract

アディティブマニュファクチャリングのための装置は、アディティブマニュファクチャリングのための粉末床または他のプラットフォームまで延びる光路内に光を放射する光源を含む。光路内の位相変調器は、粉末床上に光パワー密度の所望のパターンを提供するように光を誘導する位相シフトの２Ｄパターンを提示するように制御される。いくつかの実施形態では、光路は、粉末床上の小さなスポットに光を合焦させる要素と、粉末床上でスポットを走査するように動作するスキャナとを含む。いくつかの実施形態では、光路からの光は、粉末床の領域上に分配される。スポットまたは領域内の光パワー密度のパターンは、位相変調器を制御するデータを変更することによって変更され得る。

Description

この技術は、アディティブマニュファクチャリング（ＡＭ：ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）に関する。本技術の実施形態は、ポリマーおよびプラスチックを含むあらゆる広範囲の材料を使用したアディティブマニュファクチャリングに適用し得る。しかしながら、この技術は、高温を必要とする用途において特に有用である。いくつかの実施形態は、金属、サーメット（金属とセラミックの混合物）などで製造された部品などの部品を得るために高温を必要とする材料の部品を製造するための方法およびシステムを提供する。
アディティブマニュファクチャリングは、材料を漸増的に追加して所望の三次元形状を達成することによって部品（本開示では、「部品」は任意の所望の物体であり得る）を製造する手法である。アディティブマニュファクチャリングは、材料の固体片から始まり、材料を選択的に除去して所望の三次元形状を達成するサブトラクティブマニュファクチャリング（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）とは対照的である。アディティブマニュファクチャリングプロセスを使用して、単純なものから非常に複雑なものまでの様々な幾何学的な形状を有する部品を製造することができる。特定のアディティブマニュファクチャリング技術を使用して製造することが困難または不可能である部品も考えられるが、アディティブマニュファクチャリング技術は一般に、非常に柔軟的であり、広範囲の材料から広範囲の形状を有する部品を製造することができる。
いくつかのアディティブマニュファクチャリング方法は、層ごとに部品を形成する。各層は、流動性材料（例えば、粉末または液体）の層を塗布し、光エネルギーを印加することによって流動性材料の領域または一部を選択的に固化することによって製造される。固化領域は、所望の３Ｄの幾何学的な構造を有する部品を層ごとに構築するために、前の層の固化領域に接合され得る。
光エネルギーは、通常、層の固化される領域に光エネルギーを送達するようにレーザを制御しながら、レーザスポットをラスタパターンで層上に走査することによって印加される。一般に、固化は、化学的プロセス（例えば、熱開始重合）および／または物理的プロセス（例えば、溶融または焼結）によって生じ得る。
アディティブマニュファクチャリングの１つのクラスは、粉末床溶融プロセスを適用する。粉末床溶融プロセスでは、粉末材料の連続層が堆積される。各層の選択された領域は、合焦レーザスポットで加熱されて、粉末の粒子を互いに融合させ、隣接する層の固化領域に融合させる。層は連続的にパターニングされて、所望の三次元形状を各々が有する１つまたは複数の完全な部品を形成する。
粉末床溶融プロセスを使用して、金属、ポリマー、セラミック、サーメット、ガラスなどの広範囲の材料の部品を製造し得る。層は、通常、約０．０２ｍｍ～０．１５ｍｍの範囲の厚さを有する。以下の参考文献には、粉末床を適用する様々なアディティブマニュファクチャリング装置およびプロセスが記載されている。
・引用文献１：粉末材料から三次元物体を製造する機械（A machine for making three-dimensional objects from powdered materials）
・引用文献２：粉末床溶融アディティブマニュファクチャリングのための写真再構成手順（Photographic reconstruction procedure for powder bed fusion additive manufacturing）
・引用文献３：アディティブマニュファクチャリングシステムおよび方法（Additive manufacturing system and method）
・引用文献４：粉末床ベースのアディティブ製造方法および前記方法を実施するための設備（Powder-Bed-Based Additive Production Method And Installation For Carrying Out Said Method）
・引用文献５：空間的に制御された材料融合によるアディティブマニュファクチャリング（Additive manufacturing by spatially controlled material fusion）
・引用文献６：粉末床のレーザ溶融によるアディティブマニュファクチャリングのためのシステムおよび方法（System And Method For Additively Manufacturing By Laser Melting Of A Powder Bed）
・引用文献７：粉末床溶融装置および方法（Powder bed fusion apparatus and methods）
・引用文献８：原料粉末を粉末床溶融装置の粉末塗布装置に供給するための粉末供給装置および粉末供給方法（Powder delivery device and powder delivery method for providing raw material powder to a powder application device of a powder bed fusion apparatus）
・引用文献９：容積粉体床溶融のためのシステムおよび方法（Systems and methods for volumetric powder bed fusion）
・引用文献１０：金属部品の粉末床に基づく副産物の生成のための装置（Device for powder bed-based generative production of metallic components）
・引用文献１１：欠陥を軽減するためのアディティブマニュファクチャリングパワーマップ（Additive manufacturing power map to mitigate defects）
・引用文献１２：粉末床ベースのアディティブマニュファクチャリング方法によって部品を生成するための方法およびそのような方法において使用するための粉末（Method for generating a component by a powder-bed-based additive manufacturing method and powder for use in such a method）
・引用文献１３：粉末床溶融装置および方法（Powder bed fusion apparatus and methods）
・引用文献１４：粉末床表面膨張をリアルタイムで検出するアディティブマニュファクチャリング方法およびアディティブマニュファクチャリング装置（Additive manufacturing method and additive manufacturing device detecting powder bed surface distension in real-time）
・引用文献１５：大規模高速精密粉末床溶融アディティブマニュファクチャリング(Large Scale High Speed Precision Powder Bed Fusion Additive Manufacturing）
・引用文献１６：粉末床アディティブマニュファクチャリングのための方法および装置（Methods and apparatus for powder bed additive manufacturing）
・引用文献１７：粉末床溶融装置（Powder bed fusion apparatus）
・引用文献１８：三次元物体を形成するための協調制御（COORDINATED CONTROL FOR FORMING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS）
・引用文献１９：アディティブ粉末床溶融製造による鋼製ワークピースの製造方法およびそれから得られる鋼製ワークピース（Process for producing a steel workpiece by additive powder bed fusion manufacturing, and steel workpiece obtained therefrom）
・引用文献２０：レーザ粉末床溶融によるアディティブマニュファクチャリングのための装置および方法（Device and method for additive manufacturing by laser powder bed fusion）
・引用文献２１：粉末床溶融装置および方法（Powder bed fusion apparatus and methods）
使用される材料、および／または粉末床内の粉末が粒子を溶融することによって固化されるか、もしくは粒子を焼結することによって固化されるかに応じて、異なる名称が、粉末床溶融プロセスを説明するために使用されている。例えば、
・レーザ粉末床溶融（Ｌ－ＰＢＦ：Ｌａｓｅｒ Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）としても知られる選択的レーザ溶融（ＳＬＭ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｌｔｉｎｇ）は、高出力レーザビームを使用して、材料を溶融させることによって材料の粒子を融合させる。
・選択的レーザ焼結（ＳＬＳ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）は、プラスチック、金属、セラミック、または非晶質（ガラス質）材料等の粉末材料の粒子を、高出力レーザビームを使用して所望の三次元形状を有する塊に融合させる。
・直接レーザ金属焼結（ＤＬＭＳ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）は、高出力レーザビームを使用して金属粉末の粒子を焼結によって融合させるアディティブマニュファクチャリング技術である。
粉末床溶融のための装置は、通常、粉末床上にレーザスポットを走査するように制御することができるスキャナを含む光路にレーザビームを方向付けるように配置されたレーザ光源を含む。例えば、スキャナは、所望により、隣接する線間の全ての領域が固化され得ることを確実にするように、互いに十分に近接して離間された平行な直線において粉末床の領域上にレーザスポットを走査するように制御され得る。線のうちの１つに沿った任意のポイントにおいて、粉末粒子が（例えば、溶融または焼結によって）固形塊を形成させられるか否かは、レーザビームの出力を調節することによって制御され得る。光学系は、レーザビームの走査パターンを合焦および制御するように配置されたレンズ、プリズム、ミラーなどの系を含み得る。
選択的レーザ溶融によって部品を製造するための典型的な市販のシステムは、断面においてガウスエネルギー分布を有するレーザビームを送達する中出力から高出力のファイバ、シングルモード、レーザ光源を含む。ガウスエネルギー分布は、光学的な観点から好ましい。
１つのタイプのスキャナは、電気制御信号に応答して対応する軸を中心にそれぞれ旋回することができる一対のミラーを含む「ガルバノスキャナ」である。可動ミラーは、合焦レーザビームを二次元フィールド内の任意の位置に走査するように動作可能である。「ガルバノ」とは、ミラーを枢動させるために使用され得るアクチュエータのタイプである「ガルバノメータ」を指す。本明細書では、「ガルバノスキャナ」は、任意の適切な機構によって角度を変えるように駆動されるミラーを有するスキャナを指し、「ガルバノミラー」は、任意の適切な機構によって角度が制御されるミラーを意味する。
ガルバノミラーの非線形挙動は、パターニングにおける不完全性を生じさせる可能性がある。例えば、非特許文献１および非特許文献２を参照されたい。
別のタイプのスキャナは、レーザ光源をＸ方向およびＹ方向に移動させるように動作可能なモータを装備したガントリを含む。そのようなスキャナは、いくつかの用途（例えば、より大きい粉末床のパターニング）には低速すぎる場合がある。
別のタイプのスキャナは、電動式ガントリと、ガントリによって搬送されるガルバノスキャナとを組み合わせたものである。ガントリは、粉末床の異なる領域上で、ガルバノスキャナ、従ってその走査フィールドを位置決めするように動作され得、次いで、粉末床は、ガルバノスキャナによって方向付けられる光ビームを使用してフィーチャを提供するようにパターニングされる。このアーキテクチャの主な利点は、大きな部品を所望の解像度で製造することができる比較的低コストの機械を提供することである。このアーキテクチャの欠点は、パターニングされた層が、異なる領域でパターニングが行われた界面に「ステッチング（ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）」欠陥を有し得ることである。
粉末床溶融による高品質部品の製造を成功させるには、大きい長さスケールおよび小さい長さスケールの両方で粉末床の温度を正確に制御する必要がある。粉末床が固化されるべき位置では、粉末床を焼結、溶融、または他の方法で固化するために十分に温度を上昇させる必要がある。粉末床内の他の位置では、粉末床が固化しないように十分に温度を低く保ち、かつ粉末床からの熱がアディティブマニュファクチャリング装置に問題を引き起こさないように十分に温度を低く保つ必要がある。粉末床の固化されるべき領域でも、温度が高くなりすぎないようにすべきである。過度の温度は欠陥を引き起こす原因となる。
粉末床の温度は、レーザ出力、粉末床の予熱などの複数のパラメータによって影響を受ける可能性がある。これらのパラメータは、相互に関連しており、かつ材料にも依存する。
温度、湿度、酸素濃度などの環境条件も、粉末床溶融によって製造される部品の品質に影響を及ぼし得る。粉末の流動性、温度を維持する能力、および粉末の焼結性などの要因は全て、環境条件によって影響を受け得る。
粉末床のアディティブマニュファクチャリングにおいて熱を管理することは、特に複雑な部品を高精度に製造する場合に複雑である。粉末床内の固化されるべきポイントに加えられる熱が少なすぎるか、または多すぎる場合、または粉末床内の固化されるべきでないポイントに加えられる熱が多すぎる場合、欠陥が発生し得る。粉末床の全体的な温度は、材料が溶融または焼結された後に材料がいかに迅速に冷却されるかに影響を及ぼし得る。冷却速度は、いくつかの材料の特性に著しく影響を及ぼし得る。また、粉末床の１つのポイントに加えられた熱は、隣接するポイントにも広がる。熱を管理することは、粉末床の材料が高い処理温度を必要とする場合、および処理速度を増加させることが所望される場合に、特に問題となり得る。
部品がより高速で製造され得るように、処理時間を短縮するために様々な手法が試みられ得る。例えば、より高い処理速度を可能にするパラメータセットを選択することができる。残念ながら、より高い処理速度を可能にするためのパラメータ選択は、部品品質の低下ももたらすのが大半である。粉末床を予熱することは、プロセスパラメータに対する追加の選択肢を提供することによって、より高い処理速度を達成するのに役立つ。
金属部品を製造するための市販のＳＬＭ ３Ｄプリンタの大半は、粉末床の最上層をパターニングするためにレーザビームが適用される前に、粉末床を加熱するように配置された加熱器（例えば、抵抗加熱器）を含む。加熱器を設置することができる位置を制限する設計上の制約に少なくとも部分的に起因して、加熱器は、通常、粉末床を一定温度に維持することができない。粉末温度は、粉末床の構築表面全体で１０～１５℃以上変化することが一般的である。粉末床上の選択されたポイントを焼結温度または溶融温度にするために使用される１つまたは複数のレーザビームもまた、粉末床の熱プロファイルに寄与する。
複雑な金属部品のアディティブマニュファクチャリングは、重要な商業的価値のある分野である。粉末床溶融によって金属部品を製造することは、対象となる多くの金属を焼結または溶融するのに高温が必要とされるため、特に困難である。そのような高温を達成する必要性は、熱管理を特に困難なものにする。
別の問題は、粉末床のある領域において金属を焼結または溶融するのに十分な温度が、高速の走査速度では実際に達成できないということである。従って、粉末床溶融技術によって金属部品を製造できる速度を増大させることは困難である。レーザビームの出力を単に増加させることによって、より高速の走査速度を達成することはできない。典型的なレーザビームエネルギープロファイルに対する高いレーザ出力では、溶融プールが不安定になる可能性があり、「キーホール」欠陥が形成される可能性があり、かつ／または粉末材料の過剰な蒸発が生じる可能性がある。これらの問題はいずれも、許容できない部品につながる可能性がある。
より高いレーザ出力密度によって引き起こされる問題のいくつかを軽減または回避するための１つの方法は、非ガウスビームプロファイルを達成するためにビーム成形を実行することである。ドーナツ型、テール型、およびマルチスポット型などの代替的なレーザビームプロファイルは、著しい処理速度の向上を促進にすることが実証されている。しかしながら、現在のビーム成形技術では、レーザ光源のエネルギー分布を変更するために物理的な光学部品を変更するか、または回転させたりする必要があるなどの制限を有する。
処理時間を短縮する１つの方法は、レーザビームを新たに追加することである。例えば、床を走査するために１つのレーザビームの代わりに２つのレーザビームを同時に使用することによって、粉末床の１つの層を処理するのに必要な時間を半分に削減することができる。マルチビーム手法は、特許文献２２に開示されている。しかしながら、レーザの数を増加させることは、コストを著しく増加させ得る。
別の問題は、金属部品の効率的な製造を促進するために選択され得るパラメータが、所望の冶金特性を有する部品を提供することに寄与しない場合があることである。例えば、微細構造、密度、および／または表面品質は、理想よりも低い場合がある。多くの場合、全体的なプロセス効率（即ち「プロセスウィンドウ」）を維持しながら、レーザビーム出力、走査速度、初期粉末床温度などのパラメータを調整することができる範囲は、得られる部品の冶金特性を最適化するには小さすぎる。再溶融は、完成部品の冶金特性を改善するために行われることがある。
アディティブマニュファクチャリングの分野で行われてきた急速な発展にもかかわらず、特に金属で製造される部品に関しては、アディティブマニュファクチャリングによって、特に粉末床溶融によって部品を製造するための改善されたプロセスおよび装置の必要性が依然として存在している。
欧州特許第２７３２８９０号明細書 英国特許第２０１７１１７９０号明細書 米国特許第１０５１８３２８号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０１４４３７２号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０２０７７２２号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０２７２４７３号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０００９３３８号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０１７６４０４号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０３２６８１６号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０１３４７４６号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０２９１３４８号明細書 米国特許出願公開第２０１９／０１９３１６０号明細書 米国特許出願公開第２０２０／００１６８３８号明細書 国際公開第２０１８／７６８７６号 国際公開第２０１９／０５６０２号 国際公開第２０１９／１７５５５６号 国際公開第２０１９／８１８９４号 国際公開第２０２０／０７２９８６号 国際公開第２０２０／２２２６９５号 国際公開第２０２０／２３４５２６号 国際公開第２０２０／２５９４９号 欧州特許第０７２４４９４号明細書
ハリリ・エー（Hariri A）、ファティマ・エー（Fatima A）、アバナキ・エムアールエヌ（Avanaki MRN）著、２０１８年、「高周波数でのガルボスキャナの非線形性の補正のための新規なライブラリ（A Novel Library for the Correction of a Galvo-Scanner’s Non-Linearity at High Frequencies）、リサーチ・ジャーナル・オプト・フォトニクス２：２（Res J Opt Photonics 2:2） ブルズ・サム（Buls, Sam）、クレイグス・トム（Craeghs, Tom）、クライスターズ・ステイン（Clijsters, Stijn）、ケンペン・カロリアン（Kempen, Karolien）、スウェーバース・ヤン（Swevers, Jan）、クルース・ジャン・ピエール（Kruth, Jean-Pierre）著、「動的に最適化されたガルバノベースのレーザスキャナのＳＬＭ部品の総走査時間に対する影響（The influence of a dynamically optimized galvano based laser scanner on the total scan time of SLM parts）、第２４回国際ＳＦＦシンポジウム、米国、テキサス州、オースティン、２０１３年
本発明は、様々な態様を有する。これらには、限定されないが、以下の、
・空間位相変調を適用して光を誘導して、粉末層内の異なるポイントを選択的に加熱する粉末床溶融によるアディティブマニュファクチャリングのための方法と、
・空間位相変調を適用して、走査されるエネルギービームのエネルギー分布プロファイルに対する動的成形および／または動的制御を実行するアディティブマニュファクチャリングのための方法と、
・誘導光を走査ビームと組み合わせたアディティブマニュファクチャリングの方法と、
・アディティブマニュファクチャリングのための装置と、
・アディティブマニュファクチャリング装置を制御するための実行可能命令および／またはアディティブマニュファクチャリングによって部品を製造するための準備において部品を定義するデータを処理するための実行可能命令を担持するコンピュータプログラム製品と、が含まれる。
本発明の広範な態様および例示的な実施形態が、添付の図面に示され、以下の開示に記載され、および／または添付の特許請求の範囲に記載される。
本発明の一態様は、アディティブマニュファクチャリングのための装置を提供する。装置は、粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、粉末床の位置まで延びる光路内に光ビームを放射するように動作可能な光源とを備える。光路は、複数のピクセルの二次元アレイからなる活性領域を有する位相変調器を含む。複数のピクセルは、複数のピクセルと相互作用する光に位相シフトを適用するように個々に制御可能である。コントローラは、位相変調器のピクセルを、位相変調器の活性領域に入射する光に位相シフトの選択されたパターンを適用するように構成して、粉末床の位置に入射する光のエネルギー密度プロファイルが、位相変調器によって適用される位相シフトの現在のパターンによって少なくとも部分的に決定されるようにするように接続されている。コントローラは、位相変調器を制御することによって少なくとも部分的に光ビームを制御して、例えば、粉末床の最上層内の粒子を焼結し、かつ／または溶融することによって、粉末床の最上層の一部を選択的に固化するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、コントローラは、固化前に粉末床に予熱および／または後加熱を適用するように構成される。
本発明の別の態様は、粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、粉末床を選択的に固化するためのシステムとを備えるアディティブマニュファクチャリングのための装置を提供する。このシステムは、
・２つ以上の走査ユニットであって、２つ以上の走査ユニットの各々は、粉末床内の全ての領域または選択された領域をカバーするフィールドにわたって少なくとも１つのビームを走査するように動作可能である、２つ以上の走査ユニットと、
・１つまたは複数の露光ユニットおよび１つまたは複数の走査ユニットであって、各々が前記粉末床の領域上に光を方向付けるように動作可能である、１つまたは複数の露光ユニットおよび１つまたは複数の走査ユニットと、
・粉末床内の全ての領域または対応する領域を露光するように各々が動作可能な２つ以上の露光ユニットと、のうちの１つまたは複数を備える。
本発明の別の態様は、コンピュータ実行可能命令を保持するコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品であって、コンピュータ実行可能命令は、アディティブマニュファクチャリングのための装置のコントローラのデータプロセッサによる実行時に、データプロセッサに本明細書に記載の装置を制御させる、コンピュータプログラム製品を提供する。
本発明の別の態様は、光を光源から位相変調器を含む光路上の粉末床の位置に誘導するステップと、位相変調器を制御して、光に位相シフトの２Ｄパターンを適用するステップであって、位相シフトは、粉末床上に所望の光パワー分布を生じさせるように粉末床上に光を誘導する、光に位相シフトの２Ｄパターンを適用するステップと、光パワー分布が粉末床の最上層の領域を選択的に固化するステップとを含むアディティブマニュファクチャリングの方法を提供する。
本発明の別の態様は、部品のアディティブマニュファクチャリングのための方法であって、部品を定義するコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データを作成するステップと、ＣＡＤデータを処理して層データを生成するステップであって、層は、特定の層厚を有する部品の単一スライスを表しており、層データは、粉末床の対応する層内の固化されるべき領域を示すパターンを含んでいる、層データを生成するステップと、各層に対して、粉末床の固化すべき領域に光を誘導する１つまたは複数の位相変調器に対する位相パターンを決定するステップと、部品の各層を作成するためのプロセスパラメータを決定するステップと、粉末床を第１の層で初期化するステップと、部品が完成するまで、現在の層に対する位相パターンを取得して、位相パターンに従って露光ユニットの位相変調器を設定するステップと、露光ユニットを制御して、現在の層に対する層データに従って現在の層の固化されるべき領域を固化するように現在の層を十分に露光するステップと、粉末床に新たな粉末層を追加するステップとを含む方法を提供する。
様々な実施形態では、１つまたは複数の２Ｄ位相変調器によって光ビームに適用される位相シフトの２Ｄパターンは、粉末床上に投射されるときに光のパワー分布が所望の形をとるようにする。パワー分布は、例えば、レーザ光の走査スポットにおけるパワー分布、または粉末床のはるかに広い領域（粉末床全体まで）にわたるパワー分布を含み得る。パワー分布は、例えば、部品の明確に画定されたエッジ、粉末床の固化（例えば、焼結または溶融による）の所望の均一性または不均一性などの所望の目的を達成するために動的に変更され得る。
本発明は、これらが異なる特許請求の範囲に記載され、異なる段落または文章または欄に記載され、あるいは異なる図面に示されている場合であっても、本出願に記載され、言及され、および／または図示された特徴の全ての組み合わせに関するものであることが強調される。
添付の図面は、本発明の非限定的な例示的な実施形態を示す。
例示的な実施形態によるアディティブマニュファクチャリング装置の概略正面断面図である。 例示的なアディティブマニュファクチャリング装置の模式図である。 粉末床の層に関する例示的なパターンを示す図である。 複数の露光ユニットを有する例示的なアディティブマニュファクチャリング装置の模式図である。 図１Ａに示す一般的なタイプの例示的な露光システムの光学部品を示す平面図である。 図２の露光システムの光スプリッタ／合成器アセンブリの斜視図である。 例示的なビーム成形ユニットの概略図である。 図４Ａのビーム成形ユニットの断面図である。 例示的な位相変調器アセンブリの正面図である。 図５Ａの位相変調器アセンブリの斜視図である。 例示的な光学折り曲げユニットの斜視図である。 走査ビームの動的ビーム成形を実施する例示的なアディティブマニュファクチャリング装置のブロック図である。 固定焦点距離を有する焦点レンズを有するスキャナの概略図である。 ｆ－θレンズを有するスキャナの概略図である。 フラットフィールドレンズまたはｆ－θレンズをシミュレートする動的に変化する位相パターンを有する位相変調器を有するスキャナの概略図である。 ガルバノスキャナの幾何学的な構造から生じ得る境界線の歪みを示す概略図である。 図９Ａに示す境界線の歪みの概略図である。 ガルバノスキャナによるビーム形状の歪みを補正し得る方法を示す概略図である。 ２つのスキャナユニットのフィールド間の重複領域を示す概略図である。 例示的なアディティブマニュファクチャリング装置の光学部品の斜視図である。 図１２Ａ－図１２Ｃは、それぞれ、例示的な対称ガウス出力密度分布、例示的なドーナツ出力密度分布および例示的なプラトー出力密度分布を示すプロットであり、図１２Ｄ－図１２Ｆは、それぞれ図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示された出力密度分布の対応する上面図である。 光特性を監視するセンサを有する例示的な装置を示すブロック図である。 組み合わされた光誘導およびレーザ走査を実施する例示的な装置を示すブロック図である。 図１３に示すような装置と同様の装置を使用して部品を製造する方法を示すフローチャートである。 例示的な方法におけるデータのフローを示すデータフロー図である。 １つまたは複数の露光ユニットを使用して２Ｄ領域をパターニングするための例示的な方式の概略図である。 誘導光による露光と走査された光による露光とを組み合わせる２Ｄ領域をパターニングするための例示的な方式の概略図である。
以下の説明を通して、本発明のより完全な理解を提供するために、特定の詳細が記載される。しかしながら、本発明はこれらの詳細なしに実施され得る。他の例では、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるために、周知の要素は詳細に図示または説明されていない。従って、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、むしろ例示的な意味で考えるべきである。
本発明の一態様は、アディティブマニュファクチャリングのための装置を提供する。そのような装置は、
・エネルギーのパターンを二次元領域に方向付けるためのシステム、および
・ビームが走査される際に、エネルギービームの形状および／またはエネルギー分布をリアルタイムで変化させるように動作可能な動的ビーム成形器／プロファイラを含む走査システムの一方または両方を含み得る。
図１は、例示的なアディティブマニュファクチャリング装置１００を示す。装置１００は、雰囲気制御されたエンクロージャ１０２を備える。いくつかの実施形態では、エンクロージャ１０２は、排気されるか、または部分的に排気されるか、またはアルゴンもしくはヘリウムなどの不活性ガス、または窒素などの比較的非反応性のガスで充填される。プラットフォーム１０４がエンクロージャ１０２内に設けられている。プラットフォーム１０４は粉末床１４を支持する。プラットフォーム１０４の垂直高さは、粉末床１４の上面を固定高さ１０７に維持するためにエレベータ１０６によって調節可能である。
粉末アプリケータ１０８は、粉末床１４の上部に層を追加するように動作する。まだパターニングされていない最上層１４－１が示されている。粉末床１４の層は、窓１０９を通して粉末床１４上に光エネルギーを方向付けることによってパターニングされる。
装置１００は、いくつかの光エネルギー源を含む。これらは、粉末床１４の上面上に光学放射の２Ｄパターンを投射するように動作可能な露光ユニット１６と、粉末床１４の上面を横切って合焦光ビームを走査するように動作可能な走査ユニット７６と、粉末床１４の上面の全部または一部を光で照射するように動作可能な非誘導式光源１１０とを含む。
走査ユニット７６は、任意選択的に、走査ユニット７６を粉末床１４に対して一次元または二次元で移動させるように動作可能なガントリ１１２上に支持される（例えば、ガントリ１１２はＸ－Ｙガントリであり得る）。
粉末床１４の一部は、光源１６、７６および／または１１０から粉末床１４の上面に光エネルギーを方向付けることによって固化され得る。最上層１４－１の下方にある粉末床１４の層の以前に固化した領域は、１１５によって示されている。
装置１００は、熱を粉末床１４に方向付けるように動作可能な１つまたは複数の加熱器１１６を含む。制御ユニット１１８（２つ以上のハードウェアコンポーネントの間に分散され得る）は、データ接続（図示せず）によって接続され、装置１００の動作を制御して、粉末床１４のボリュームを選択的に固化することによって部品を形成する。装置１００に含まれ得る様々な例示的な構成要素のさらなる詳細が以下に記載される。
装置１００は、様々な方法で、例えば、以下の１つまたは任意の組合せによって変更され得る。
・露光ユニット１６または走査ユニット７６は省略され得る。
・さらに多くの露光ユニット１６および／またはさらに多くの走査ユニット７６が設けられ得る。
・非誘導式光源１１０は省略され得るか、またはより多くの非誘導式光源が設けられ得る。
・粉末床１４に対して露光ユニット１６を移動させるために、ガントリまたはロボットなどの手段が設けられ得る。
・光源の一部または全部が粉末床１４の真上に取り付けられ得る。
・用途によっては、エンクロージャ１０２は空気または反応性ガスで充填され得る。
１： 光誘導広域照明
図１Ａは、例示的なアディティブマニュファクチャリング装置１０を概略的に示す。装置１０は、粉末床１４を支持する表面１２を含む。粉末アプリケータ１５は、部品が形成される際に粉末床１４に層を追加するように動作する。
装置１０は、粉末床１４の二次元（「２Ｄ」）領域にエネルギーを同時に印加する露光システム１６を含む。二次元領域は、粉末床１４の全て、または特定の部品が形成される粉末床１４の領域の全て、または粉末床１４の別の二次元領域をカバーし得る。いくつかの実施形態において、二次元領域は、３００ｍｍ×３００ｍｍ以上の寸法を有する。
装置１０は、粉末床１４の層を順次処理することによって形成された形状を有する１つまたは複数の部品を製造するように動作され得る。各層の計画によって、固化されるべき粉末床の特定の領域またはセクションが指定され得る。固化されるべき領域は、１つまたは複数の部品の様々なフィーチャに対応する形状を有し得る。例示的なフィーチャは、壁、薄壁、角部、実体積、開口部の境界などである。
印加エネルギーは、粉末床１４を予熱し、焼結または溶融によって粉末床１４の粒子を融合し、かつ／または融合後の温度対時間のプロファイルを調整する（例えば、冷却を制御する）ために使用され得る。粉末床１４の領域を固化するために、印加エネルギーは、印加エネルギーが粉末床１４の層を固化することが所望される位置では高い強度を有し、かつ粉末床１４の層を固化することが意図されない位置ではより低い強度を有するようにパターニングされる。冷却を制御するために、印加エネルギーは、粉末床１４の固化した材料の冷却速度を低減することが所望される粉末床１４の領域にエネルギーを集中させるようにパターニングされ得る。粉末床１４を予熱するために、印加エネルギーは、例えば、以下のうちのいずれか、または全てを行うようにパターニングされ得る。
・固化されるべき粉末床１４の領域の端部から離れた部分により多くのエネルギーを集中させる。
・所望よりも低温である粉末床１４の領域により多くのエネルギーを集中させる。
・次に固化されるべき粉末床１４の領域により多くのエネルギーを集中させる。
露光システム１６は、レーザビーム１６Ｂを放射するように動作するレーザ１６Ａを含む。ビーム１６Ｂは位相変調器１６Ｃを照射する。位相変調器１６Ｃは、ピクセルと相互作用するレーザビームの部分の位相を制御可能な量だけ変化させるように個々に制御可能なピクセルのアレイを含む。位相変調器１６Ｃのピクセルは、コントローラによって制御されて、レーザビームからの光が、粉末床１４上に所望の空間的および／または時間的な強度の変化を有する光のパターンを形成するように誘導されるようにする位相パターンを提示する。位相変調器１６Ｃの中心に対して９０度の倍数である角度（即ち、角度がｎ×π／２ラジアンに等しく、ここでｎは整数である）を介して光のパターンを回転させることが所望される場合、または現在の光のパターンの鏡像である光のパターンを生成することが所望される場合、回転された光のパターンまたは鏡像の光のパターンに対応する新たな位相パターンを計算する代わりに、位相パターンは、位相変調器１６Ｃ上で垂直方向および／または水平方向に反転され得る。光誘導は、パターンの低強度部分を形成するために二次元領域内の特定のエリアから光が離れるように、かつパターンの高強度部分を形成するために二次元領域内の特定の他のエリアに光が集光されるように光を誘導し得る。光誘導は、位相変調器１６Ｃの異なるピクセルから出る位相シフトされた光の間の干渉の結果である。通常均一なビームの異なる部分を選択的に減衰させることによって（例えば、ピクセルの透過率を制御することによって）動作する振幅変調は、「光誘導」ではない。
いくつかの実施形態では、位相変調器１６Ｃによって誘導された光は、振幅変調器（図示せず）によってさらに変調される。振幅変調器は、位相変調器１６Ｃによって生成される光のパターンを精緻化して、例えば、エッジを直線状にし、エッジをシャープにし、高強度アーチファクトを除去し、他の方法で位相変調器１６Ｃによって生成されることが意図される理想的な光のパターンからの偏差を補償するために光のパターンを調整し得る。振幅変調器は、高い光パワーレベルを有する光を変調するように設計され得る。振幅変調器は、例えば、液晶ベースの空間振幅変調器を含み得る。
図１Ｂは、粉末床１４の層に関する例示的なパターン１９を示す。パターン１９の複数の暗い部分１９Ａは、粉末床１４の層が固体化されるべき複数の領域を示す。パターン１９の複数の明るい部分１９Ｂは、粉末床１４の層が固体化されるべきでない複数の領域を示す。位相変調器１６Ｃは、光からのエネルギーが部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域に集中し、部分１９Ｂに対応する粉末床１４の領域から離れるように誘導されるように、レーザ１６Ａからの光を誘導する位相パターンを提供するように制御され得る。
レーザスポットが粉末床上を走査される従来の装置と比較した場合、装置１０の利点は、レーザ１６Ａの出力を増加させることによって、粉末床１４のより大きな領域を同時にパターニングするように、かつ／またはパターン１９の部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域をより迅速に固化するように、システム１０をスケールアップすることができることである。
装置１０のような装置は、多くの方法で動作するように制御し得る。これら方法には例えば以下のものが含まれる。
・部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域上にレーザ１６Ａからの光を集光させ、部分１９Ｂに対応する粉末床１４の領域から離れるように光を誘導する位相パターンに位相変調器１６Ｃを設定するステップ、およびレーザ１６Ａを動作させることによって部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域を固化するステップ。レーザ１６Ａは、部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域が粉末床１４の粒子を焼結または溶融するのに十分に加熱されるまで、連続的におよび／またはパルス的に動作され得る。
・レーザ１６Ａからの光を、部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域内の選択されたゾーン（ゾーンは領域のサブセクションである）に集光させ、部分１９Ｂに対応する粉末床１４の領域から離れるように光を誘導する位相パターンに位相変調器１６Ｃを設定するステップ、およびレーザ１６Ａを動作させることによって粉末床１４の選択されたゾーン内の粉末床１４を固化するステップ。これらのステップは、部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域の全てが固化されるまで、部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域内の他のゾーンに対して繰り返され得る。パターン１９の各部分１９Ａに対応する粉末床１４の各ゾーンを固化する際、レーザ１６Ａは、個別のゾーン内の粉末床１４の粒子が、粉末床１４の粉末の粒子を焼結または溶融するのに十分に加熱されるまで、連続的におよび／またはパルス的に動作され得る。
・部分１９Ａに対応する粉末床１４の領域内でレーザ１６Ａからの光を所与の形状（例えば、円、線、正方形、長方形、長円形、楕円形など）に集光する位相パターンに位相変調器１６Ｃを設定するステップ、および部分１９Ａに対応する領域をより多く露光するように光が集光された形状を粉末床１４を横切る方向に走査させるように位相変調器１６Ｃの設定を変更するステップ。位相変調器の設定の変更は、可変ウェッジ角を有するウェッジを初期位相パターンに重ね合わせることを含み得る。変更は、本質的に連続的に行われるか、または段階的に行われ得る。レーザ１６Ａは、連続的に動作され得、かつ／またはパルス的に動作され得、かつ／または位相パターンが光が集光される形状を移動させるように変更されているとき、一時的にオフにされるか、または出力が低減され得る。
・粉末床１４の異なる領域に対して上記のいずれかを別々に実行するステップ。
図１Ｂの線２０は、粉末床１４をいくつかの領域２０Ａ（この例では、９つの領域２０Ａ）に分割する１つの方法を示す。上記の動作のいずれかは、領域２０Ａの各々に対して別々に実行され得る。９個より多いか、または少ない領域２０Ａが設けられ得る。領域２０Ａは重なっていても、重なっていなくてもよい。領域２０Ａは、粉末床１４の全てをカバーする必要はない。領域２０Ａは、パターン１９の部分１９Ａに対応する粉末床１４の全ての領域を集合的にカバーすることのみが必要である。
位相変調器１６Ｃによって誘導される光は、例えば、以下の
・スキャナを使用して光を領域２０Ａのうちの所望の１つに方向付けること、
・領域２０Ａの所望の１つに光を誘導する位相パターンを位相変調器１６Ｃに適用すること、
・一次元または二次元ポジショナ（例えば、ＸＹポジショナ）を使用して、露光システム１６の一部または全部を光を所望の領域２０Ａに方向付けるように位置決めすること、
・複数の露光システム１６を設けて、複数の露光システム１６のうちの異なる露光システムを使用して、領域２０Ａのうちの異なる領域を露光すること、
・上記のいずれかを組合せることいずれかによって領域２０Ａの対応する１つに方向付けられ得る。
装置１０は、様々な態様で変更され得る。これらには以下が含まれる。
・露光システム１６は、並列に動作する複数の位相変調器１６Ｃを含み得る。この構成は、特にレーザ１６Ａが高出力レーザである場合に、位相変調器１６Ｃの平均故障間隔を延ばし、かつ／または位相変調器１６Ｃの熱管理を簡略化し得る。そのような実施形態では、異なる位相変調器１６Ｃは、同じか、または異なる位相パターンを有するように制御され得る。
・露光システム１６のコントローラは、位相変調器１６Ｃの位相パターンを動的に変化させるように構成され得る。例えば、コントローラは、粉末床１４の領域のデフォーカス照明または均一照明を提供する第１の位相パターンと、部分１９Ａに対応する粉末床１４の１つまたは複数の領域のフォーカス照明を提供する第２の位相パターンとを適用するように構成され得る。第２の位相パターンは、例えば、パターン１９の部分１９Ａに対応する粉末床１４の複数の領域のうちの１つの領域内に存在するか、またはその１つの領域の全てをカバーする１つまたは複数のスポットの形状に光を合焦させ得る。第１の位相パターンは、粉末床１４内の全ての領域または選択された領域を予熱するために適用され得る。第２の位相パターンは、パターン１９の複数の部分１９Ａに対応する粉末床１４の複数の領域を固化するために適用され得る。
・露光システム１６は、誘導光と非誘導光の組合せを投射し得る。非誘導光は、粉末床１４の粉末を固化するのに十分に粉末床１４の温度を上昇させることなく、粉末床１４に熱を加える働きをし得る。誘導光は、複数の部分１９Ａに対応する粉末床１４の複数のポイント、複数の形状または複数の領域内の温度を十分に上昇させて、誘導光が方向付けられた位置にある粉末を固化させ得る。非誘導光は、粉末床１４を全体的に予熱し得る。そのような予熱は、効率の向上および／または溶融プール安定性および部品の品質の向上をもたらし得る。
・非誘導光は、レーザ１６Ａとは別個の光源（例えば、追加レーザ）からの光、位相変調器１６Ｃによって鏡面反射された光、およびビームスプリッタによってレーザビーム１６Ｂから分割された光のうちの１つまたは複数によって与えられ得る。いくつかの実施形態では、誘導光および非誘導光の相対的な量は、コントローラによって制御される。
粉末床１４を予熱するために、１つまたは複数の加熱器が配置され得る。
これらの変形例を以下に説明する。
粉末床１４を加熱するための加熱器を提供するいくつかの実施形態において、加熱器は、任意の既知のタイプのものであり得る。いくつかの実施形態では、加熱器は、
・粉末床１４上に光エネルギーを方向付けるように構成された１つまたは複数の光源と、
・１つまたは複数の抵抗加熱素子と、
・１つまたは複数のマイクロ波エネルギー源と、
・１つまたは複数の誘導加熱器と、
・高周波エネルギーまたはマイクロ波エネルギーの供給源と組み合わせた１つまたは複数のサセプタと、のうちの一つ、または２つ以上の組み合わせを含む。
サセプタは、電磁放射源（例えば、高周波放射またはマイクロ波放射）からの電磁放射を、電磁放射と十分に結合しない材料と結合させるデバイスである。サセプタは、粉末床１４の材料を加熱するために適用され得る。粉末床１４に使用され得るいくつかの材料には、材料が高温に加熱されたときに、電磁エネルギーと安定して結合するものがある。そのような場合、サセプタを使用して、粉末床１４の材料を、加熱された材料が電磁放射源からの電磁放射と安定して結合する温度まで加熱し得る。次に、電磁放射からのエネルギーの直接吸収によって粉末床１４をさらに加熱するために電磁放射源が作動され得る。サセプタは、例えば、熱伝導または放射によって粉末床１４にエネルギーを供給し得る。サセプタは、例えば、ブルス・エス（Buls, S）他著、技術セラミックスのマイクロ波アシストの選択的レーザ溶融（Microwave Assisted Selective Laser Melting of Technical Ceramics）、立体造形技術に関する国際シンポジウムの論文集（Proceedings of: Solid Freeform Fabrication Symposium）、米国、テキサス州、オースティン、２０１８年８月（https://www.researchgate.net/publication/328791735_Microwave_Assisted_Selective_Laser_Melting_of_Technical_Ceramics）の文献に記載されている。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される装置は、抵抗加熱器を使用して実際に達成され得る温度よりも高い温度まで粉末床１４を加熱することが可能な加熱器（例えば、サセプタ、光放射源）を含む。
粉末床溶融中、特に粉末床の材料が溶融した後に温度が変化する速度は、得られる部品の特性に大きな影響を及ぼす可能性がある。例えば、いくつかの金属の微細構造は、金属が溶融された後にどれだけ迅速に冷却されるかに依存して非常に異なり得る。微細構造は、硬度、耐摩耗性、靭性などの重要な特性に影響を及ぼす可能性がある。
本明細書に記載の装置および方法は、
・粉末床１４を固化するためのエネルギーの印加を制御するステップと、
・粉末床１４の温度の変化率を制御するステップと、
・粉末床１４の材料組成を制御するステップとのうちの１つまたは複数によって粉末床１４の固化材料の特性を制御するために有利に適用され得る。
そのような制御のためのツールは、以下を含む。
・加熱器、非誘導光、露光システム１６からの誘導光、および走査光（本明細書で説明されるような動的ビーム成形を含み得る）のうちのいずれか、または任意の組合せによって粉末床１４を予熱すること。予熱は、粉末床１４に蓄えられる熱量に影響を及ぼす可能性があり、この熱量は、任意の位置で焼結または溶融することによって粉末床１４を固化するのに必要な追加のエネルギーの量、または焼結または溶融による固化後の冷却速度に影響を及ぼす。
・粉末床１４内の位置の固化後に、加熱器、非誘導光、露光システム１６からの誘導光、および走査光（本明細書に説明されるような動的ビーム成形を含み得る）のうちのいずれか、または任意の組み合わせによって、粉末床１４を後加熱すること。後加熱は、粉末床１４の固化領域の冷却速度を遅くすることができる。
・粉末床１４の領域を固化するために使用されるエネルギーの印加を制御すること。粉末床１４の領域を固化するために印加されるエネルギーは、粉末床１４の全体的な温度を上昇させることができる。場合によっては、部品の製造中に、このエネルギーのみによって粉末床１４の温度が１００℃以上上昇され得る。いくつかの実施形態では、予熱および後加熱エネルギー投入は、粉末床１４の固化領域をパターニングするために供給されるエネルギーを考慮して調整され得る。いくつかの実施形態では、シーケンスは、粉末床１４の１つの領域を固化するために使用されるエネルギーが、粉末床１４の１つまたは複数の隣接する領域に対して予熱および／または後加熱を提供し得るように設計される。例えば、本明細書に記載される方法および装置は、粉末床１４上のある位置を固化するためにエネルギーを供給すると同時に、予熱または後加熱のために、その位置に隣接する１つまたは複数の領域にいくらかのエネルギーを分配するために適用され得る。
・粉末床１４の表面を（比較的）冷却したガスによって冷却すること。冷却は、粉末床１４の固化領域の冷却速度を増加させることができる。
・選択された位置における粉末床１４の組成を変更する。本明細書に記載の方法は、粉末床１４内の異なる位置における異なる材料組成に対して最適化された方法でエネルギーの印加を変化させるために適用され得る。
予熱および後加熱はそれぞれ、大規模（例えば、加熱器、非誘導光、および／または誘導光の使用によって、粉末床１４全体または粉末床１４のマクロサイズ領域を加熱する）および小規模またはマイクロ規模（例えば、走査光を使用して非常に小さい領域を加熱する）の一方または両方に対して行うことができる。
いくつかの実施形態では、粉末床１４全体が１００℃を超える温度（例えば１５０℃以上）に予熱される。そのような予熱は、急速な固化後の冷却を減少させ得る。冷却速度を低下させることにより、固化した材料の微細構造を成長／変化させることができる。多くの材料および多くの用途において、固化した材料がより緩慢に冷却するときのそのような成長／変化は、固化した材料の品質を向上させる。
粉末床１４の組成の変化は、選択された位置における粉末床１４の粉末の組成を変化させる（例えば、粉末床１４の異なる部分に存在する金属元素の比率を変化させる）ことによって、および／または選択された位置における固化した材料の組成に影響を与える反応性ガスの存在下で粉末床１４の選択された位置を固化することによって達成され得る。
部品は、上述の装置を使用して、粉末床１４の層を連続的に固化することによって製造され得る。粉末床１４の各層に対応するパターン１９は、その層内のどの領域が所望の部品を得るために固化されるべきかを指定する。
いくつかの実施形態では、各層の露光は、リアルタイムプロセスフィードバックを使用して制御される。例えば、カメラおよび／または熱撮像装置などのセンサが、粉末床１４を監視するために配置され得る。粉末床１４に存在し得る異なる材料相（例えば、粉末、固体、液体）の放射率は劇的に変化する可能性があるため、粉末床によって放射される赤外光を監視することによって温度を決定することは困難な場合がある。しかしながら、フィードバック信号に対しては直接温度測定は必要とされない。いくつかの実施形態では、粉末床１４から反射されたレーザ光および／または粉末床１４からの熱放射、ならびに１つまたは複数の赤外線波長または光学波長が、フィードバック信号として使用される。例えば、フィードバック制御は、溶融プールから放射される光の強度および波長に少なくとも部分的に基づき得る。
フィードバック制御は、現在の層に対する露光が、層データによって指定された現在の層の領域を固化させ、現在の層に対する層データに従って固化されるべきでない現在の層の領域を固化させないことを確実にするために適用され得る。
いくつかの実施形態では、フィードバック制御の例は、以下を含む。
・層データによって指定された領域内で粉末床が固化したことをセンサが示すまで、露光を継続すること。
・１つまたは複数の方法によって粉末が固化したことを決定すること。例えば、粉末の温度が閾値よりも高いことを決定することによって、および／または粉末床が粉末床１４の適切な領域で溶融したことを画像分析によって確認することによって決定される。
・現在の層に関する層データに従って固化されるべきでない粉末床１４の現在の層の領域の固化を防止するために露光を調整すること。調整は、
ｏ露光に用いる光のパワーを変更すること、
ｏ固化されるべきでない粉末床の領域が閾値を超える温度を有する場合、それらの領域に方向付けられる光パワーを低減するように位相パターンを変更すること（例えば、粉末床１４の領域に入射する光をデフォーカスするように位相変調器を調整することによって）、
ｏ露光を中断すること、および／または
ｏ例えば、粉末床１４を照射する非誘導光ビームなどの加熱器の設定を変更することのうちの１つまたは複数を含み得る。
いくつかの実施形態では、フィードバック制御は、現在の層において固化されるべき粉末床１４の領域の温度を制御すること、および現在の層において固化されるべきでない粉末床１４の領域の温度を制御することを含む。これらの領域の温度は、同一のフィードバックループまたは別個のフィードバックループにおいて制御され得る。
図１Ｃは、装置１０と同様であるが、複数の露光ユニット１６を含む別の実施形態による装置１０－１を示す。複数の露光ユニット１６は、並列に動作し得る。複数の露光ユニット１６の異なる配置が可能である。例えば、
・装置１０－１の露光ユニット１６のうちの２つ以上または全てが、粉末床１４の同じ領域を照明し得る。
・装置１０－１の２つ以上の露光ユニット１６は、粉末床１４の重複領域を照明し得る。
・装置１０－１の露光ユニット１６の各々は、粉末床１４の別個の領域を照明し得る。
・装置１０－１の露光ユニット１６のいくつかは、非誘導光および／またはデフォーカスされた誘導光を送達し得る。そのような露光ユニット１６の出力は、粉末床１４を加熱するように制御され得る。
・露光ユニット１６のうちの異なるものは、粉末床１４の対応する領域（別個であってもよく、かつ／または重なっていてもよい）を同時に、かつ／または所定の順序で照明するように動作され得る。
図２は、例示的な露光システム１６－１を示す。露光システム１６－１は、並列に動作する２つの位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２を含む。レーザ１６Ａからの光は、レーザビーム１６Ｂを放射する（図１Ａ参照）。レーザビーム１６Ｂは、ビーム成形ユニット１６Ｄを通過する。ビーム成形ユニット１６Ｄは、レーザビーム１６Ｂをコリメートして、調整された出力ビーム１６Ｂ－１を生成する。例えば、レーザビーム１６Ｂが、ファイバレーザによって放射されるレーザビームに典型的であるように発散している場合、ビーム成形ユニット１６Ｄの光学素子は、発散を除去し得る。
ビーム成形ユニット１６Ｄは、位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の活性領域のサイズおよび形状に一致またはほぼ一致するようにレーザビーム１６Ｂを拡大および成形する光学素子を含む。例えば、調整されたビーム１６Ｂ－１は、光の過剰な損失なしに位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の活性領域を満たすように選択された矩形または楕円形の断面プロファイルを有し得る。例示的な実施形態では、ビーム１６Ｂ－１は、位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の活性領域の形状因子に一致する形状因子（高さ対幅の比）と、位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の活性領域に一致するか、またはそれよりもわずかに大きいサイズとを有する矩形断面を有する。
ビーム１６Ｂ－１におけるエネルギーの分布は、ビーム１６Ｂ－１の断面積にわたって概ね均一であり得る。性能に影響を与える均一性からの偏差は位相変調器１６Ｃによって補償されるため、正確な均一性は必要とされない。ビーム成形ユニット１６Ｄからの出力は、コリメートされた光ビーム１６Ｂ－１である。
ビーム１６Ｂ－１は、光パワー分割器１６Ｅによって２つのビーム１７－１および１７－２に分割される。パワー分割器１６Ｅは、例えば、偏光ビームスプリッタを含み得る。ビーム１７－１および１７－２は、等しい光パワーを搬送し得る。ビーム１７－１および１７－２はそれぞれ、位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の活性領域を照射する。
露光システム１６－１の変形例では、ビーム１７－１および１７－２は別々のレーザによって生成される。２つのレーザは、偏光ビーム１７－１および１７－２を放射する偏光レーザであり得る。ビーム１７－１および１７－２の各々の偏光は、対応する位相変調器１６－１または１６－２に一致され得る。
位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２は、ビーム１７－１および１７－２の光を誘導する位相パターンを提示するように制御される。いくつかの実施形態では、同じ位相パターンが位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の両方に適用される。いくつかの実施形態では、異なる位相パターンが位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２に適用される。
位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２と相互作用した後、ビーム１７－１および１７－２は、ビーム合成器１６Ｆで合成されて、合成ビーム１７－３が生成される。ビーム合成器１６Ｆは、例えば、偏光ビームスプリッタを備え得る。
パワー分割器１６Ｅが偏光ビームスプリッタである場合、ビーム１７－１および１７－２は異なる偏光を有する。図示された実施形態では、ビーム１７－１は、位相変調器１６Ｃ－１によって必要とされる偏光に一致するようにビーム１７－１の偏光を変更する第１の波長板１６Ｇを通過する。例えば、ビーム１７－１は、最初に直線偏光され得、かつ位相変調器１６Ｃ－１の偏光に対して９０度である偏光を有し得る。第１の波長板１６Ｇは、位相変調器１６Ｃ－１に一致させるためにビーム１７－１の偏光を９０度回転させるように配向された半波長リターダであり得る。
ビーム合成器１６Ｆが偏光ビームスプリッタである場合、ビーム１７－１および１７－２は、ビーム合成器１６Ｆに入射する際に直交偏光状態を有していることが望ましい。ビーム１７－１および１７－２が直線偏光される例示的な場合において、これは、ビーム１７－１および１７－２のうちの１つを第２の波長板１６Ｈに通過させることによって達成され得る。例えば、第２の波長板１６Ｈは、ビーム１７－１または１７－２の偏光を９０度回転させるように配向された半波長リターダであり得る。図示された実施形態において、第２の波長板１６Ｈは、位相変調器１６Ｃ－２の後、ビーム１７－２の光路内にある。第１の位相板１６Ｇをビーム１７－１および１７－２の一方に配置し、第２の位相板１６Ｈをビーム１７－１および１７－２の他方に配置することにより、位相板１６Ｇおよび１６Ｈによって生じる減衰のビーム１７－１および１７－２への影響のバランスがとられる。
結果として生じる合成ビーム１７－３は、合成ビーム１７－３を粉末床１４（図２には図示せず）上に再方向付けする折り曲げユニット１６Ｊに方向付けられる。折り曲げユニット１６Ｊは、任意選択的に、合成ビーム１７－３の誘導光を粉末床１４の対応する領域上に合焦させるのに役立つ光学素子を含む。
露光システム１６－１は、装置１６－１をよりコンパクトにするために、説明された光ビームの経路を折り曲げる任意のミラー１６Ｋを含む。
露光システム１６－１は、以下の１つまたは複数の利点を提供し得る。
・位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２の各々は、合成ビーム１７－３よりも著しく低い出力を有する対応するビーム１７－１または１７－２を変調する。これにより、より高出力のレーザ１６Ａを使用する可能性および／またはより低出力の定格を有する位相変調器１６Ｃを使用する可能性が広がる。また、これにより、位相変調器１６Ｃの期待される有用寿命が改善され得る。
・２つ以上の位相変調器１６Ｃを提供することにより、複数の位相変調器１６Ｃ－１および１６Ｃ－２が異なる時間に更新され得、かつ／または複数の位相変調器が異なる位相パターンを表示するように制御され得るため、光の投射パターンおよび／またはより詳細な光のパターンの円滑な更新が可能となり得る。
・装置１６－１のコストは、同じ光パワーを達成するためにより多くのレーザを使用する同等の装置よりも低くなり得る。
露光システム１６－１は、以下を含む様々な方法で変更され得る。
・別個のレーザが、異なる位相変調器（例えば、１６Ｃ－１および１６Ｃ－２）を照射するために提供され得る。
・露光システム１６－１のより単純なバージョンは、単一位相変調器を照射する単一レーザを有する。
・露光システムは、３つ以上の位相変調器１６Ｃ（１つまたは２つ以上のレーザによって照射され得る）を含み得る。
・利用可能な光パワーは、粉末床上に光を誘導するように動作可能な１つまたは複数の位相変調器をそれぞれ照明する複数の偏光レーザを提供することによって増加され得る（適切に配向された偏光ビームスプリッタは、偏光レーザによって出力されたレーザビームを２つのビームに分割し得る）。いくつかの実施形態では、２つ以上の位相変調器によって誘導される光は、粉末床の領域を照明するために合成される。いくつかの実施形態では、任意の時間に動作されるそのようなレーザの数は、粉末床上への光パワーに対する要求に一致するように制御される。
・折り曲げユニット１６Ｊは、折り曲げユニット１６Ｊから粉末床１４上に投射される光のパターンの位置をシフトさせるスキャナを備えるか、またはスキャナと関連付けられ得る。
・合成ビーム１７－３に合成される代わりに、光ビーム１７－１および１７－２は、粉末床１４の異なる領域上に光を方向付け得る別個の折り曲げユニット１６Ｊに方向付けられ得る。
・パワー分割器１６Ｅは、ビーム１７－１および１７－２の相対出力が調整されることを可能にするために可変であり得る。
図３は、図２の露光システム１６－１で使用される光スプリッタ／合成器アセンブリ３０を示す斜視図である。アセンブリ３０は、偏向ミラー１６Ｋと、偏光ビームスプリッタであり得る光パワー分割器１６Ｅと、第２の偏光ビームスプリッタであり得る光合成器１６Ｆと、第１の波長板１６Ｇと、第２の波長板１６Ｈとを含む。
図４Ａは、例えば、図２の露光システム１６－１内のビーム成形ユニット１６Ｄに使用し得るタイプの例示的なビーム成形ユニット４０を概略的に示す。ビーム成形ユニット４０は、入射ビーム１６－Ｂを受け取るファイバレーザコネクタ４２と、テレスコピックレンズチューブ４４と、ファインテレスコピックレンズチューブ４６とを含む。図４Ｂは、ビーム成形ユニット４０の断面図である。速軸コリメーションレンズセット４７は、テレスコピックレンズチューブ４４内に収容されており、遅軸コリメーションレンズセット４９は、ファインテレスコピックレンズチューブ４６内に収容されている。
図５Ａおよび図５Ｂは、例示的な取付ブラケット５０によって支持された位相変調器１６Ｃを示す。位相変調器１６Ｃは、冷却ブロック５２と熱的に接触しており、冷却ブロック５２はヒートスプレッダ５４に接続されている。熱は、例えば、ペルチェ冷却器５６によって冷却ブロック５２から除去される。熱は、ヒートスプレッダ５４と熱的に接触しているブラケット５０内の冷却通路内を流れる水によってペルチェ冷却器５６から除去される。
アパーチャ５８は、位相変調器１６Ｃから離間している。アパーチャ５８は、位相変調器１６Ｃの活性領域に入射する光ビームと、位相変調器１６Ｃによって位相変調された出射光ビームとを通過させる大きさである。いくつかの実施形態では、位相変調器１６Ｃの活性領域に対するアパーチャ５８の位置および／または向きは、位相変調器１６Ｃの活性領域の外側に当たる光を遮断しながら、位相変調器１６Ｃの活性領域を完全に照明する光ビームを受け入れるように調整され得る。アパーチャ５８の調整および／または位相変調器１６Ｃの圧縮は、例えば、調整ネジ５９などの１つまたは複数の調整ネジによって調整され得る。図５Ｂに示す実施形態では、ばね５９Ａは、位相変調器１６Ｃの熱膨張に対応する。
図５Ａの実施形態では、異なる位相パターンを提示するように位相変調器１６Ｃを駆動するための電子機器を備えるコントローラ５５が、ブラケット５０上に支持されている。
図６は、例示的な折り曲げユニット１６Ｊを示す。この例では、折り曲げユニット１６Ｊは、合成ビーム１７－３を粉末床１４上に再方向付けするように角度が付けられた（この例では、４５度）ミラー６１を含む。この例では、また、折り曲げユニット１６Ｊは、誘導光を粉末床１４の最上層上に合焦させるのを支援する複数の合焦光学系６２（例えば、レンズを含み得る）を含む。
図６において、ミラー６１は、誘導光を粉末床１４に対して程度の差はあるが垂直に入射するように方向付ける。いくつかの実施形態では、誘導光は、粉末床１４上に斜めに方向付けられる。そのような実施形態は、例えば、粉末床１４の真上に光学系を必要とせずに粉末床１４の照明を可能にし得る。そのような実施形態では、ビーム１７－３によって照明される領域の異なる部分に入射する光は、異なる斜角で粉末床１４に入射し得る。
そのような実施形態では、焦点は、位相変調器１６Ｃによって適用される位相パターンを調整することによって、および／または非球面光学系を提供することによって、粉末床１４の表面上に維持され得る。例えば、１つまたは複数の位相変調器は、斜角（θ）に応じた焦点距離（ｆ）を提供するｆ－θレンズとして機能する位相成分を含むように制御され得る。位相パターンは、本明細書の他の箇所で説明されるように、粉末床１４への合成ビーム１７－３の斜めの入射角から生じる幾何学的な歪みをさらに補償し得る。
粉末床１４上の特定のポイントを照射するための所望の焦点距離（ｆ）は、装置の他の部分に対する粉末床１４の高さに依存する。このため、粉末床１４の上部に良好な焦点を確立するために、装置の初期較正を行うことが一般的に必要である。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される装置は、光ビームを粉末床１４上に「オートフォーカス」するように構成される。オートフォーカスは、カメラシステム（例えば、軸上カメラシステム）を使用して、粉末床１４上に合焦されるべき粉末床１４上の光のスポットのサイズを監視することによって実行され得る。オートフォーカスは、光のスポットの最適な合焦に適切な焦点距離を提供するために、位相変調器に適用される位相パターンを調整することによって実現され得る。例えば、オートフォーカスは、カメラが粉末床１４上の光のスポットの画像を取得するように動作され、画像が光のスポットのサイズを決定するように処理され、位相変調器によって提供される位相パターンの成分がスポットサイズを改善し得るように補正される、反復プロセスを使用して実現され得る。この反復プロセスは、光のスポットのサイズが基準を満たす（例えば、光のスポットがある閾値未満の直径を有する）まで、または光のスポットのサイズを最小化する位相パターンが発見されるまで、または所望の回数の反復が完了するまで、繰り返され得る。
いくつかの実施形態では、このプロセスによって最適化される位相パターンの成分は、パラメータ化されたレンズモデルである。レンズモデルは、１つまたは複数のパラメータを含み得る。最適化は、レンズモデルのパラメータ空間にわたって実行され得る。例えば、レンズモデルは、焦点距離パラメータを含み得る。レンズモデルのパラメータ値（単数または複数）が供給されると、レンズモデルは、位相変調器の複数のピクセルに対する対応する一組の位相遅延を出力し得る。この一組の位相遅延を位相変調器に適用して、スポットが粉末床１４上に合焦され得る。
上述のように位相変調器によって適用される位相パターンを調整することによるオートフォーカスに加えて、またはその代替として、オートフォーカスは、粉末床１４に対して光のスポットを送達するスキャナを物理的に移動させることによって（例えば、スキャナを粉末床１４に向かってまたは粉末床１４から離れるように移動させるように接続されたアクチュエータを動作させることによって）、および／または光のスポットを提供する光ビームの光路内の物理的合焦要素を調整するようにアクチュエータを動作させることによって実行され得る。
熱レンズ効果は焦点の変化を引き起こすため、上述したオートフォーカス方法のようなプロセスを用いて熱レンズ効果の影響を補償し得る。いくつかの実施形態では、コントローラは、本明細書に記載の技術を使用して、本明細書に記載の装置の構成要素の異なる温度および／または異なる光パワーレベルに対する熱レンズ効果を補償するための補正位相パターンを確立し、その後、熱レンズ効果を補正するために、１つまたは複数の測定された構成要素の温度および／または現在の光パワーレベルに基づいて、補正位相パターンを位相変調器に適用する。
２： 走査ビームの動的成形／プロファイリング
本技術の別の態様は、走査光ビームの動的成形および／またはプロファイリング（「ＤＢＳ：ｄｙｎａｍｉｃ ｓｈａｐｉｎｇ ａｎｄ／ｏｒ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｏｆ ｓｃａｎｎｅｄ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍｓ」）を提供する。ＤＢＳは、粉末床１４の層の異なる領域に対して、または同じ走査線の異なるセクションに対してさえ、異なるビーム形状および／または異なるビームエネルギー密度分布を提供するために適用され得る。光ビームは、例えば、スキャナ（例えば、ガルバノミラーを含むスキャナ）によって誘導され得る。いくつかの実施形態において、スキャナは、パルスレーザ光源からの光ビームを再方向付けする１つまたは複数の回転ポリゴンミラーを含む。本明細書の他の箇所でより詳細に説明するように、走査ビームの動的成形および／またはプロファイリングは、誘導光により２Ｄ領域を照明するシステムと共に、またはそれとは別個に適用され得る。
ＤＢＳは、走査ビームのサイズ、形状、および／またはエネルギー分布をリアルタイムで変更するために適用され得る。走査ビームは、小さなスポットに合焦され得る。実現可能な最小スポットサイズは、走査ビーム内の光の波長に依存する（例えば、最小可能スポットサイズは回折限界である）。より小さいスポットサイズは、より短い波長（単数または複数）を有する光を使用することによって実現され得る。実現可能な最小スポットサイズに影響を及ぼし得る他の要因は、システムによって生成される光ビーム（単数または複数）の品質、ＤＢＳを実施するために使用される位相変調器（単数または複数）の空間分解能および位相分解能、ならびに光学部品の品質を含む。
任意の特定のシナリオに最適な走査スポットのサイズは、以下のような要因に依存し得る。
・光放射を方向付けるスキャナのパラメータ（例えば、隣接する走査線間のハッチ間隔がどれだけであるか）。
・出力要件（より小さいスポットは、同じ光エネルギーがより広い領域にわたって分散されるより大きいスポットよりも高いエネルギー密度を提供し得る）。
・速度要件（場合によっては、より大きいスポットサイズは、より小さいスポットサイズよりも短い時間で粉末床１４の所与の領域を固化することが可能であり得る）。
例えば、いくつかの用途では、スポットは、直径約６０μｍ（例えば、直径２０～１５０μｍ）の円内に適合し得るか、またはスポットは、約６０μｍの最小横断寸法を有し得る。このような小さなスポットは、粉末床１４内に小さな固化したフィーチャを正確に表現するために使用され得る。
有利なことに、スポットサイズを動的に変化させて、部品の異なるフィーチャの作成を最適化するためにＤＢＳを適用することができる。
いくつかの実施形態では、ＤＢＳは、固化されるべき粉末床１４の現在の層内の領域の構成に基づいて制御される。例えば、ＤＢＳは、以下のうちの１つまたは複数などの要因に基づいて、異なるビーム形状、ビームサイズ、および／またはビーム出力分布を使用するように制御され得る。
・ビームによって現在照射されているポイントが固化領域１９Ａの端部にどれだけ近いかという要因、
・ビームによって現在照射されているポイントの近傍で製造中の部品のフィーチャがどれだけ小さいかという要因、
・現在製造中の部品の表面仕上げ、材料特性などの基準がどれだけ高いかという要因、
・ビームが固化されるべき粉末床の領域と固化されるべきでない粉末床の領域との間の境界に接近しているかという要因、
・ビームによって照射されるポイントの現在位置で製造中の部品の部分の寸法公差がどれだけ厳しいかという要因、
・ビームによって現在照射されているポイントに隣接する他のポイントがどれだけ最近走査されたかという要因、
・焼結温度、溶融温度、熱容量、熱伝導率、溶融プール粘度、粒径、層厚などの粉末床の材料の特性、
・ビームが走査される速度、
・ビームが曲線軌跡に沿って走査されている場合の曲線の半径、
・溶融後の温度対時間の所望のプロファイル、
・部品の品質要件（例えば、要求される表面仕上げ）。
いくつかの実施形態では、粉末床１４の現在の層のどの領域が固化されるべきかを示す層データを処理して、ビームを走査するための経路を決定し、かつ／またはビームを走査するための経路に沿った異なるポイントに対するＤＢＳパラメータを決定する。ＤＢＳパラメータは、例えば、以下のうちの１つまたは複数を含み得る。
・ビーム強度、
・ビームスポットサイズ、
・ビーム出力密度プロファイル、
・ビーム形状、
・動的ビーム成分の挙動、および／または走査方向に対するビームプロファイルの向き。
いくつかの実施形態では、ＤＢＳパラメータは、粉末床１４の材料（単数または複数）に関する既知の「プロセスウィンドウ」を参照して生成される。プロセスウィンドウは、材料（単数または複数）が許容可能に挙動する一組の異なるビームパラメータの範囲である。パラメータは、例えば、ビームエネルギー密度、ビーム走査速度、および粉末床温度を含み得る。使用されているビームパラメータがプロセスウィンドウの外側にある場合、溶融不足、ボーリング（ｂａｌｌｉｎｇ）、キーホール形成、および他の溶融プール不安定性によって引き起こされる欠陥などの許容できない結果が発生する可能性がある。
ＤＢＳパラメータを含むプロセスウィンドウによって、性能の向上が促進され得る。例えば、適切なＤＢＳパラメータを選択することによって、完成部品の所望の品質レベルを提供するプロセスウィンドウ内で、より速い走査速度（従って、処理時間の短縮）を実現することができ、かつ／または（いくつかの実施形態では、処理速度を損なうことなく）粉末床１４の固化部品の微細構造の改善を実現することができ、かつ／または部品品質を損なうことなく粉末床１４に低グレード（例えば、より粗い）粉末を使用し得る。ＤＢＳは、粉末床１４の固化された部分の熱履歴に対して、従って微細構造／部品品質に対して顕著な効果を発揮することができる。
いくつかの実施形態では、ＤＢＳパラメータは、自動制御システムによって生成される。自動制御システムは、粉末床１４の材料（単数または複数）に対するプロセスウィンドウを定義する保存されたデータ（「プロセスウィンドウデータ」）を含み得る。プロセスウィンドウデータは、例えば、複数の材料に対する複数のプロセスウィンドウを定義し得る。いくつかの材料に対して、プロセスウィンドウデータは複数のプロセスウィンドウを定義し得る。場合によっては、特定の材料に対する複数の異なるプロセスウィンドウは、固化されたときの材料の複数の異なる特性（例えば、複数の異なる所望の微細構造、複数の異なる表面テクスチャ等）に対応し得る。複数のＤＢＳパラメータは、複数のプロセスウィンドウ定義に含まれ得る。自動制御システムは、利用可能な定義された複数のプロセスウィンドウからＤＢＳパラメータおよび他のパラメータを選択し得る。これらのパラメータを動的に変化させることで、以下のような所望の態様に最適化し得る。
・部品を製造するための時間を最小化する態様、
・部品の品質を最大化する態様、
・部品の指定された位置に指定された材料品質を提供する態様、
・部品の特定の寸法に対する正確な制御を提供する態様（および、場合によっては、他の寸法に対してはより緩い公差を維持すること）。
・その他の態様。
制御システムは、プロセスパラメータ（例えば、ビームの形状およびサイズ、ビーム内の出力強度分布、ビームの全出力、走査速度、走査パターン、ハッチ距離、層厚など）を設定する制御アルゴリズムを実行し得る。
ＤＢＳはフィードバック制御と組み合わされ得る。フィードバック制御は、１つまたは複数のフィードバック信号に基づいて、デフォルトのＤＢＳパラメータまたは以前に決定されたＤＢＳパラメータを変更し得る。フィードバック制御は、例えば、広域照明の制御に関連して上述したようなフィードバック信号に少なくとも部分的に基づくものであり得る。フィードバック信号は、例えば、以下によって取得され得る。
・粉末床１４の全部または一部の熱画像化（例えば、赤外線カメラまたは熱撮像装置を使用）、
・粉末床１４の全部または一部に対する高分解能光学撮像、
・粉末床１４の周囲、または粉末床１４内またはその周囲の特定の位置における温度を感知するために配置された温度センサ（例えば、熱電対および／またはサーミスタ）、
・プロセス光（即ち、溶融プールおよび／または溶融プール上のプラズマ雲から放射される光）の分析（分析は、プロセス光の強度および波長スペクトルのいずれか一方または両方を考慮し得る。そのような光は、例えば、粉末床１４を固化するために光ビームを方向付けるスキャナの光路内で収集されるか、または溶融プールの位置を追跡するように制御される別個のスキャナを使用して収集され、かつ／または高解像度カメラシステムによって取得される粉末床１４の画像内の溶融プールの位置を追跡することによって、収集され得る。）、
・溶融プールの不安定性から生じる音または振動を感知するように動作可能な音響センサまたは振動センサ、
・粉末床１４の固化部分の表面の機械的探査。
フィードバックは、前の層の特性に基づくものであり得る。例えば、カメラが粉末床１４に欠陥がないかを監視し得る。例示的な欠陥は、前の層の一部が（例えば、巻き上がり始めることによって）歪んでしまったときに発生し得る。そのような欠陥が検出されると、コントローラは、１つまたは複数の後続の層の走査パターンを変更し得る。例えば、走査パターンは、歪み部分に対応する領域を「スキップ」するように変更され得、かつ／または歪みがそれ以上伝搬しないように歪み部分に対応する領域の走査を変更するように変更され得る。少なくともいくつかの場合において、この手法は、部品を製造するプロセスを停止することなく歪みを軽減し得る。追加の層が粉末床に追加されるにつれて、欠陥によって影響を受ける領域は、欠陥に対応する領域において通常の走査が再開され得るポイントまで減少し得る。
いくつかの実施形態において、制御システムは、（例えば、位相変調器の温度変化の結果として発生する可能性がある）位相変調器の誘導効率の変化を補償する。特定の光照射野（例えば、本明細書に記載のＤＢＳまたは露光ユニットによって成形されたビームによって粉末床１４上に提供される光エネルギーの特定の分布）を形成するために光を誘導する目的で位相変調器に印加される制御信号は、位相変調器によって誘導される光照射野内の光エネルギーの分布を測定し、実際の光照射野と所望の光照射野との間の差を補償するように制御信号を調整することによって、光誘導効率の変化を補償するように調整され得る。この制御は、例えば、フィードフォワード制御によって時々行われ得、かつ／またはフィードバックループにおいて連続的に実行され得る。このような制御は、（例えば、機械的な外乱または温度の影響から生じ得る）光学部品のいくつかの位置合わせ不良、および／または（例えば、温度変化による）位相変調器の特性の変化を補償し得る。
ＤＢＳは、以下のような要因に基づいて、異なるビーム形状および／またはビーム出力分布および／またはビーム出力を使用するように制御され得る。
・現在走査されている粉末床１４上のポイントが、粉末床１４の現在の層が固化されるべきポイントに対応する場合、現在のポイントの温度が粉末床を固化するための目標温度よりどれだけ低いかという要因、
・現在走査されているポイントに隣接する粉末床１４上のポイントの測定された温度と、粉末床１４内の熱流のモデルとに基づいて、現在走査されているポイントにおいて粉末床１４を固化するためにどれだけのエネルギーが必要とされるかという要因。
ＤＢＳによって実施され得る制御の種類の例は、以下を含む。
・ビームを再成形する制御、
・ビームのエネルギー密度プロファイルを変更する制御（例えば、「ドーナツ」ビームプロファイルの「穴」のように、ビームの一部分からエネルギーを追加または除去する）。
・ビームを合焦させるか、またはデフォーカスする制御、
・（例えば、一部の光をビームダンプに再方向付けするように位相変調器を設定することによって）ビームの全部または一部からエネルギーを一時的にダンプする制御、
・ビームの全部または一部からエネルギーをパルス化する制御。
走査パターンは、ＤＢＳと共に制御され得る。例えば、走査パターンは以下のパターンを含み得る。
・単方向パターン（例えば、光スポットが同じ方向に走査される平行走査線）、
・双方向または「ジグザグ」パターン（例えば、光スポットが交互の走査線で反対方向に走査される平行走査線）、
・アイランドパターン（例えば、スキャナによってアドレス指定することができる粉末床１４の全領域よりも少ない領域を占有するアイランドにわたって光スポットが走査されるパターン）、
・除外パターン（例えば、スキャナによってアドレス指定可能な粉末床１４の領域が走査されない走査パターン）。
これらのパターンのいずれにおいても、ハッチ間隔（隣接する走査トラック間の距離）は変更され得る。
ＤＢＳは、走査パターンと協調して制御され得る。例えば、ＤＢＳは、走査パターンおよび／または走査速度に基づいて、走査スポットのサイズ、形状および／またはエネルギー分布を制御するように設定され得る。例えば、
・単方向走査パターンの場合、スキャナが次のラインの開始に再配置されているときに光源をオフにする代わりに、光スポットをデフォーカスして、粉末床１４に予熱を加えるためにＤＢＳが使用され得る。
・ハッチ間隔に基づいて走査光スポットの幅を成形するためにＤＢＳが使用され得る。例えば、ハッチ間隔が増加されると光スポットがより広くなり、またはハッチ間隔が減少されると光スポットがより狭くなる。
・走査速度に応答して走査方向に沿って走査光スポットの長さを調整するためにＤＢＳが使用され得る。例えば、走査速度が増加すると光スポットがより長くなり、走査速度が減少すると光スポットがより短くなる。
・除外パターン内の除外領域の内側および／またはアイランドパターン内のアイランドの外側で走査光スポットをデフォーカスするためにＤＢＳが使用され得る。
制御アルゴリズムは、全てのプロセスパラメータ（例えば、ビーム形状、形状全体にわたる出力強度、ビームの全出力、走査速度、走査パターンのハッチ距離、層厚など）にアクセスして制御し得る。
ＤＢＳの適切な適用は、微細構造に影響を与えることによって、溶融プールの安定性を高めることによって、かつ／またはキーホール孔の発生率を低下させることによって、アディティブマニュファクチャリングの品質を高めることができる。ＤＢＳの使用によって、フィーチャが最適化されるパラメータセットおよびビーム形状が可能となり、粉末コストの削減およびプロセス速度の増加がもたらされ得る。
いくつかの実施形態では、動的ビーム成形システムは、受動光学系を物理的に調整することなく、かつ／またはビーム形状、ビームサイズ、および空間エネルギー分布の任意の所定の組合せに制限されることなく、アディティブマニュファクチャリングプロセス中に空間エネルギー分布を最適化するように動作する。
図７は、動的ビーム成形を実施する例示的な装置７０を示すブロック図である。装置７０は、レーザビーム７４をビーム修正モジュール７５内に放射するように動作するレーザ光源７２を含む。
ビーム７４は、第１の空間エネルギー分布（例えば、ガウス分布）を有し得る。ビーム修正モジュール７５は、ビーム７４の形状および／またはエネルギー分布を動的に変更するように動作可能である。修正されたビーム７４は、スキャナ７６によって粉末床１４の全体領域または選択された領域にわたって走査される。
いくつかの実施形態において、ビーム修正モジュール７５がビーム７４のエネルギー分布に対して行うように制御され得る修正のタイプのいくつかの例は、以下のような、
・エネルギー分布を平坦化することにより、エネルギー分布をより均一にするか、またはエネルギー分布をよりピーク状態にする修正のタイプ、
・エネルギー分布を、走査方向の一方の側により重く重み付けし、走査方向の他方の側により軽く重み付けする修正のタイプ、
・より高いエネルギー密度のリングがより低いエネルギー密度の領域を取り囲む「ドーナツ」形状を有するようにエネルギー分布を成形する修正のタイプ、
・十字（Ｘ）形状またはプラス（＋）形状を有するようにエネルギー分布を成形する修正のタイプ、
・Ｖ字形状またはＨ字形状を有するようにエネルギー分布を成形する修正のタイプ、
・エネルギー分布を細長くなるように成形する修正のタイプであって、細長くすることは、例えば、走査方向、走査方向に垂直な方向、または走査方向に対して何らかの他の角度で行われ得る、修正のタイプ、
・エネルギー分布によってカバーされる領域を拡大すること、またはエネルギー分布をより密に集束させる修正のタイプ、および／または
・エネルギー分布内のエネルギーレベルを増加または減少させる修正のタイプである。
いくつかの実施形態では、予め定義された形状は、異なる用途に対して指定される。例えば、異なる予め定義された形状が、
・薄壁、
・鋭角角部、
・固化領域の内部、
・高精度を必要とするフィーチャ、
・特定の微細構造を必要とするフィーチャ、
・その他のフィーチャ等の異なるフィーチャに対して指定され得る。
異なる形状が異なる材料に対して指定され得る。
制御システムは、異なるフィーチャに対する形状を指定する形状データを含み得る。制御システムは、異なる走査線に沿って位置するフィーチャ（またはフィーチャ、材料、指定された微細構造および／または指定された精度の組合せ）を識別するために、製造中の部品の複数の層に対する複数のパターン１９を処理し得る。次いで、制御システムは、異なるフィーチャに対応する各走査線の部分に対して使用するためのビーム形状および／または他のビームパラメータを設定し得る。いくつかの実施形態では、ビーム形状は、（例えば、ビーム形状の寸法またはアスペクト比を設定し得る）１つまたは複数のパラメータによってパラメータ化される。いくつかの実施形態では、選択されたビーム形状は、本明細書で説明されるようにフィードバック信号に基づいて粉末床１４の処理中に調整される。
いくつかの実施形態においてビーム修正モジュール７５がビーム７４の形状に対して行うように制御され得る修正のタイプのいくつかの例は、
・ビームプロファイルを、円形、卵形、楕円形、長円形、長方形などの所望の形状に成形する修正のタイプ、
・ビームプロファイルを走査方向に、走査方向に対して垂直に、または走査方向に対していくらかの他の角度で伸張する修正のタイプ、
・ビーム７４のプロファイルの境界を拡大または縮小する修正のタイプ、および／または
・現在処理されている走査線の下の表面の状態または走査線の隣接する領域の状態に基づいてビームの形状を変更する修正のタイプである。例えば、固化した材料とは対照的に、粉末はより低い熱伝導性を有する。既に固化した領域に隣接する走査線を処理する場合、溶融プールは、固体材料に向かってクリープ／変形する傾向を有する。この挙動を解消するために、固体材料に向かうビームの側のエネルギー密度を低減するようにビームを成形することができる。
ビーム修正ユニット７５は、ビーム７４の形状および／またはエネルギープロファイルを調整するように動的に制御可能な空間光変調器７５Ａを備え得る。好ましい実施形態では、空間光変調器７５Ａは空間位相変調器を含んでおり、空間位相変調器は、ビーム７４が粉末床１４を照射する位置で所望のビーム形状およびエネルギー密度プロファイルを実現するようにビーム７４の光を誘導するように、本明細書で説明されるように制御される。
空間光変調器７５Ａは、ビーム７４がラスタ走査パターンまたは任意の他の走査パターンで粉末床１４を横切って走査される際に、リアルタイムで制御され得る。制御は、例えば、以下の
・ビーム７４が粉末床１４を横切って走査される速度および／または方向、
・粉末床１４の現在の層に形成されるべき固化領域のパターン、
・ここで、ビーム７４は、粉末床１４の現在の層に形成されるべき固化領域のパターンに対して現在方向付けられており、
・粉末床１４の現在の温度マップ、および／または既に走査された領域における欠陥の存在および／または粉末床１４の最上層のいくつかの領域における固化の成功に関する画像フィードバック等のフィードバック情報、
・粉末床１４の材料の特性、
・粉末床１４における環境条件のうちの１つまたは複数に基づき得る。
本明細書に説明されるような空間位相変調器を含む装置のいくつかの実施形態では、空間位相変調器は、２つ以上の機能を同時に行う位相パターンを提供するように制御され得る。これは、２つ以上の位相パターン成分の重ね合わせである位相パターンを適用することによって行われ得る。いくつかの実施形態では、位相パターン成分は、別個に決定され、次いで、位相変調器への適用のために組み合わされる。この組み合わせは、例えば、位相シフトを表す位相成分の対応するピクセル値を加算することを含み得る。ほとんどの位相変調器は、限られた範囲（例えば、２πラジアン）内でのみ位相シフトを提供することができるため、加算は、位相成分のピクセル値をモジュロ２πで加算することを含み得る。
例えば、位相パターン成分は、以下の
・所望のエネルギー密度のパターンを提供するように光を分配する成分、
・粉末床１４において光を選択的に合焦またはデフォーカスする成分、
・位相変調器に入射する光ビームの理想からの変動または偏差を補償する成分、
・位相変調器の性能の変動および／または欠陥を補償する成分、
・スキャナの幾何学的な構造を補償する成分、
・その他の成分を含み得る。
ＤＢＳの簡単な応用例は、レーザスポットを選択的にデフォーカスして、プロセス速度の増加を促進することである。レーザスポットをデフォーカスすることは、より大きなスポットサイズをもたらし、これは、１回の通過で粉末床１４のより大きな領域を固化させ得る。例えば、部品の輪郭は、合焦された／小さいスポットサイズを使用して処理され得、部品の内側の密な領域は、デフォーカスされたより大きいスポットにより処理される。この技術は、「スキン－コア（ｓｋｉｎ－ｃｏｒｅ）」走査方式と呼ばれ得る。
ＤＢＳの別の応用例は、（例えば、部品の湾曲した輪郭に沿うように）走査方向が変更されている間、走査方向に対する走査スポットのエネルギー密度分布の所望の相対的な向きを維持することである。例えば、Ｖ字型、Ｈ字型、Ｉ字型またはＡ字型のエネルギー分布を有するように構成されたスポットは、エネルギー分布の対称軸が現在の走査方向と一致するように制御され得る。
ＤＢＳの別の応用例は、走査スポットの形状を非直線経路に沿った現在の走査方向に所望の方法で一致した状態に維持することである。例えば、走査線上の角部が処理される際に、スポットの向きが回転され得る。例えば、スポットはＶ字型のエネルギー分布を有し得、Ｖ字型（または他の形状）の向きは、走査が角部の周りで進行するにつれて変更され得る。別の例として、スポットのエネルギープロファイルは、スポットが角部の周りを走査される際に変更され得る。例えば、スポットは、角部に接近する走査線の第１のセグメントを横断するときに、１つの形状（例えば、Ｖ字形）を有し得る。角部の近傍では、スポットは、異なる形状（例えば、ドーナツ形状のエネルギープロファイル）に変更され得る。スポットが走査線の第２のセグメントに沿って角部から離れるように走査された後、スポットは、走査線の第２のセグメントに対して所望の関係を有する向きでＶ字形に戻るように変更され得る。走査スポットの向きの変化は、急激であり得るか、または漸進的であり得る。
いくつかの実施形態は、複数のスキャナをＤＢＳと組み合わせたものである。そのような実施形態では、２つ以上のビームを協働で作用するように成形するためにＤＢＳが適用され得る。例えば、第１のスキャナは、対応するスポットが第２のスキャナのスポットに追従するよう制御され得る。例えば、個別のスキャナのスポットは、スポットが通過する走査線の各部分について温度対時間の所望のプロファイルを達成するように成形され得る。スポットのエネルギープロファイルは、スポットが走査されるにつれて動的に変更され得る。
別の例として、３つ以上のスポットの集まりが走査線に沿って走査され得る。複数のスポットは、走査線に沿って離間され、互いに重ね合わされ、かつ／または走査線を横切る方向に離間され得る。複数のスポットの個別のスポットは、粉末床上に所望の空間的および時間的熱プロファイルを集合的に提供するビーム形状を有するようにＤＢＳによって制御され得る。
ＤＢＳは、スポットが走査される際に、スポットのエネルギー分布の移動および／または強度変化を発生させるために使用され得る。いくつかの例は、以下の
・スポットのアイデンティティをパルス化する例、
・走査が進行するにつれてスポットを左右に（例えば、ジグザグパターンで）移動させる例、
・走査が進行するにつれて円をたどるようにスポットを揺動させる例、
・スポットを走査方向に前後に移動させる（例えば、走査方向のスポットの速度が脈動するように）例、
・上記の組み合わせの例を含む。
いくつかの実施形態では、これらの移動および／または強度変化は、スキャナの動作を変更することなく、ＤＢＳによって実現される。
空間光変調器７５Ａが位相変調器である場合、位相変調器は、粉末床１４に入射するビーム７４を選択的に合焦またはデフォーカスするように制御され得る。例えば、位相変調器は、可変焦点距離レンズとして機能するレンズ部品を提供するように制御され得る。レンズ部品の焦点距離を変化させることにより、任意の物理的レンズまたは他の光学部品を移動させることなく、選択的な合焦／デフォーカスをオンザフライで実行することが可能になる。
ＤＢＳの別の応用例は、光ビームが粉末床１４に入射する角度を変化させることによってスキャナが動作する場合、光ビームが粉末床１４に到達するために移動する有効距離が走査角度によって変化するという事実を補償することである。これは、固定焦点距離を有する焦点レンズを有するスキャナの概略図である図８Ａに示されている。走査角度θが変化すると、光ビームが合焦されるポイントは円弧を描く。図８Ａに示す別の問題は、角度θが一定の割合で変化する場合、レーザスポットが粉末床１４上を移動するときのレーザスポットの速度が角度θによって変化することである。
問題を解決する図８Ｂに示される１つの方法は、図８Ｂに示すように、焦点レンズにｆ－θ（または「ｆ－シータ」）レンズを使用することである。ｆ－θレンズは、光がｆ－θレンズに入射する角度によって変化する焦点距離を提供するように設計された樽形歪曲を有するように成形されており、焦点は、角度θに関係なく同一平面内にあるようになる。また、ｆ－θレンズは、角度θの変化を、ビームが粉末床１４に当たる位置の変化に線形に関連させることができる。ｆ－θレンズは、一般に、走査の幾何学的な構造によって生じる全ての歪みを除去するわけではない。
図８Ａに示される問題を解決する別の方法は、図８Ｃに示されるようなフラットフィールドレンズまたはｆ－θレンズの挙動をシミュレートする動的に変化する位相パターン成分を有する位相変調器を構成することである。これは、位相パターン成分が走査角度θに応じて変化するように制御することによって行うことができ、θが変化してもビームが粉末床１４上に合焦された状態に維持されるようになる。
例示的な実施形態では、異なる位相成分が異なる走査角度に対して事前に算出され、かつ保存される。各保存された位相成分は、走査角度の範囲（例えば、Ａ＜Ｂであるθ＝Ａからθ＝Ｂまでの範囲、または、２つの走査角度θおよびΦがある場合、Ａ＜ＢおよびＣ＜Ｄであるθ＝Ａからθ＝ＢおよびΦ＝ＣからΦ＝Ｄまでの範囲）に対応し、かつ走査角度（単数または複数）が対応する範囲内にある場合、走査される光ビームを粉末床１４上に合焦させるように作用する。位相変調器用の制御システムは、現在の走査角度（単数または複数）を示す信号を監視して、位相変調器によって提供される位相パターンが現在の走査角度（単数または複数）に対応する位相成分を含むように位相変調器を制御し得る。位相パターンは、任意選択的に、走査スポットが一定の速度で粉末床１４を横切って移動するように、走査スポットの位置を調整する。
例えば、ガルバノスキャンニングシステムを使用して粉末床１４を横切るようにレーザビームをラスタ走査する場合、位相成分は、粉末床全体にわたってほぼ一定のスポットサイズを提供し得る。位相パターンは、走査されるレーザビームの形状および／またはエネルギー分布プロファイルを設定するために光を誘導する１つまたは複数の他の位相成分と重畳された、固定焦点レンズをエミュレートし得る位相成分を含み得る。位相成分は、ガルバノスキャナのリアルタイム位置に基づいて、走査に同期して変更され得る。位相成分は、ガルバノスキャナによって導入される任意の焦点の歪みを補正し得る。
図８Ａに示されるガルバノスキャナの幾何的な構造は、走査ビームが粉末床１４を横切って移動するポイントを、湾曲した線に沿うようにすることができる。図９Ａに示すように、θ１≦θ≦θ２およびΦ１≦Φ≦Φ２の範囲内の走査角度θおよびΦに対してラスタ走査することができるフィールドの境界における線は、湾曲しており、かつフィールドから離れる側に凹んでいる。境界線に対するそのような歪みは、図９Ｂにも示されている。この歪みには、レーザスポットの位置誤差が含まれる。
また、ガルバノスキャナのミラー配置は、ガルバノスキャナの走査角度θおよびΦによって変化する所望のビーム形状の幾何学的な歪みを引き起こす。
これらの歪みが補正されない場合、位置誤差に起因する幾何学的な部品の不正確さ、および／または幾何学的なビーム形状の歪みに起因する溶融プール品質問題をもたらす可能性がある。
特定のスキャナの光学配置から生じる歪みを補正するための補間テーブルおよび／またはＮｕｒｂ関数は、様々な方法で展開され得る。例えば、スキャナを動作させて、粉末床の代わりに配置されたプレート上に検出可能なフィーチャをマーキングし得る。フィーチャは、例えば、スキャナ軸の既知の座標（スキャナ座標）に対応する位置においてプレート上にマーキングされた十字のグリッド（または他の検出可能なフィーチャ）を含み得る。こうして、フィーチャの実際の位置を測定することができる。フィーチャの実際の位置と所望の位置との間の差は、補間テーブルおよび／またはＮｕｒｂ関数を構築するために使用され得る。
いくつかの実施形態では、粉末床１４の全部または一部を撮像するカメラを使用して、走査されたポイントが粉末床１４を照明するポイントの実際の位置を検出する。これらの検出された位置は、対応するスキャナ座標と比較され得、照明されたポイントの実際の位置と所望の位置との間の差は、補間テーブルおよび／またはＮｕｒｂ関数を構築するために使用され得る。そのような実施形態は、フィーチャがマーキングされたプレート、またはフィーチャの位置を測定するための別個の顕微鏡を必要とし得ない。カメラは、例えば、粉末床１４の全部もしくはかなりの部分、および／または較正されるスキャナによってカバーされる領域の全部もしくはかなりの部分をカバーする視野を有する軸外カメラであり得る。
位置誤差歪みは、静的位置補間テーブル、Ｎｕｒｂｓ関数、および／または角度依存位置補正を適用するように構成され得る位相パターン成分によって補償され得る。
幾何学的な歪みは、所望のビーム形状が粉末床１４上に投射されるように、走査角度（単数または複数）に基づいて所望のビーム形状および／またはエネルギー密度分布を設定するように位相変調器を構成することによって補正され得る。これは、所望のビーム形状が円形であり、かつドーナツ形状のエネルギー密度分布を有する例について図１０に示されている。
図１０の１００－１に示されるように、粉末床１４に入射するビームは、原点に方向付けられたとき（即ち、ビームが粉末床１４に垂直に入射するとき）、顕著な歪みは認められず、顕著な位置誤差もない。１００－２で示されるように、ビームが軸外に方向付けられると、１００－３で示されるような正しいビーム形状および位置と比較して、顕著な幾何学的な歪みおよび位置誤差が存在する。正しいビーム１００－３を実現するために、スキャナの幾何学的な構造から生じる位置誤差および幾何学的な歪みが予歪を反転させるように予歪された１００－４で示されたビームを構成することによって、軸外ビームが正しい位置に配置され、かつ正しい形状および出力密度分布を有するようにされ得る。予歪されたビームは、位相変調器を適切に制御することによって生成され得る。
予歪は、前処理において算出され得る（例えば、走査角度の任意の組み合わせに対して走査システムによって生成される幾何学的な歪みおよび位置シフトは、走査システムの幾何的な構造から既知であるため、位置シフトおよび幾何学的な歪みを補正するために必要とされる予歪は、走査角度の各組み合わせに対して予め決定され、かつ所望のビーム形状およびビーム出力密度分布に適用され得る）。予歪は、リアルタイムのガルバノ位置測定または位置推定に基づいてリアルタイムで実施され得る。
スキャナの幾何的な構造に起因する上記の歪みを補正するために位相変調器を適用することにより、異なる走査ユニットによって生成された粉末床１４の固化領域同士のつなぎ合わせを有利に改善することができる。異なる走査ユニットは、重複するフィールドを走査するように構成され得る。これは、２つのスキャナユニットのフィールド内にある重複領域１５１を示す図１１に示されている。
重複領域１５１内では、両方のスキャナは、異なる視野に対して指定されたパターンの部分を、それらの間で良好に接着してつなぎ合わせるように、粉末床１４を固化するように動作し得る。本技術の適用を通して実現可能な高い位置精度は、異なる走査ユニットによって操作されるフィールド間の信頼性の高いつなぎ合わせを保証にするのに役立ち得る。
図７の装置７０は、任意選択的に、ビーム修正器７５の上流でビーム７４の特性を修正するように動作する調整光学系７８を含む。調整光学系７８は、例えば、ビーム７４を拡大し、拡大されたビーム７４をビーム修正器７５による処理のために成形し（例えば、ビーム７４が空間光変調器７５Ａの活性領域により厳密に一致するようなサイズおよび形状となるように）、かつ／またはビーム７４をコリメートするように動作し得る。いくつかの実施形態では、調整光学系７８は、空間光変調器７５Ａが最も効率的である偏光に一致するようにビーム７４の偏光を設定する。
いくつかの実施形態では、調整光学系７８は、位相変調器の活性領域を「平坦な」／均一な強度分布を有する光で満たすように構成される。いくつかの実施形態では、調整光学系７８は、位相変調器の活性領域をガウス強度分布を有する光で満たすように構成される。
いくつかの実施形態では、調整光学系７８は、円形またはほぼ円形であり得る入力ビームを、下流の位相変調器の活性領域の縁部にわずかに重なるのに十分なサイズを有する楕円形ビームに成形することによって、位相変調器の正方形または長方形の活性領域により良く一致するようにビーム７４を成形する。位相変調器の活性領域の外側の過剰な光は、アパーチャによって遮断され得る。
例示的な実施形態では、ビーム７４は、調整光学系７８の入口において断面が円形であり、調整光学系７８の適切なレンズによって空間光変調器７５Ａの活性領域に一致する矩形領域を満たすように拡大され、空間光変調器７５Ａの活性領域の外側に当たる光を遮断するアパーチャを通過する。調整光学系７８は、空間光変調器７５Ａに望ましい偏光に一致するようにビーム修正器７５への入口におけるビーム７４の偏光を設定する偏光子または一組の偏光子を含み得る。調整光学系７８は、装置７０による動的ビーム成形の効率を高め得る。
図１２は、装置７０の構成要素を含む例示的なアディティブマニュファクチャリング装置８０を示す。装置８０は、レーザビーム７４を提供するレーザ光源７２を含む。この例では、レーザビーム７４は、光ファイバ７３によってカプラ７７に供給される。カプラ７７は、例えば、水冷され得るＱＢＨファイバコネクタを備え得る。カプラ７７は、位相変調器８４の活性領域のサイズおよび形状に一致するようにレーザビーム７４を拡張および成形する光学素子を含むビーム調整ユニット（図１２には示されていないが、例えば、図４Ａおよび図４Ｂのビーム調整器４０ならびに図７のビーム調整光学系７８を参照）にレーザビーム７４を送達し得る。例えば、ビーム調整ユニットは、長方形の断面形状を有するようにビーム７４を成形し得る。ビーム調整ユニットの出力において、ビーム７４はコリメートされ、かつ任意の適切な出力分布（例えば、ガウシアン、均一など）を有し得る。
ビーム７４は、位相変調器８４の活性領域を照射する。位相変調器８４のピクセルは、位相変調器８４の異なるピクセルにおいて選択された位相シフトを与えることによって、ビーム７４の形状および／またはエネルギー密度プロファイルを修正するように制御される。位相変調器８４と相互作用したビーム７４の光は、干渉の結果として誘導されて、修正された形状および／またはエネルギー密度プロファイルを提供する。
位相変調器８４と相互作用した後、ビーム７４はスキャナ７６によって誘導され、スキャナ７６は、装置８０において、粉末床１４に横切る対応する方向にビーム７４を走査するようにそれぞれ制御可能なガルバノミラー８６Ａおよび８６Ｂを備える。合焦光学系８８は、ビーム７４を粉末床１４上に合焦させる。
図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃは、適切な位相パターンを位相変調器８４に適用することによって提供され得る異なるエネルギー分布の例を示す。図１２Ａは、対称ガウスエネルギー密度プロファイルを示す。図１２Ｂは、ドーナツ形状を有するエネルギー密度プロファイルを示す。図１２Ｃは、プラトー構成を有するエネルギー密度プロファイルを示す。図１２Ｄ、図１２Ｅおよび図１２Ｆは、図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１２Ｃにそれぞれ示されたエネルギー分布の対応する上面図である。
図２に示す装置と同様に、ＤＢＳを提供する装置は、ビーム成形のために単一の位相変調器を使用することに限定されない。例えば、動的ビーム成形のための装置は、本明細書に記載されるような露光ユニットの任意の実施形態を、スキャナユニットおよび任意選択的な追加の合焦光学系と共に備え得る。位相変調器は、合焦光学系をエミュレートするように制御され得るため、合焦光学系は任意選択的である。
いくつかの実施形態では、個別の空間位相変調器によって変調された複数のビームを組み合わせることによって、制御可能な形状および／または制御可能なエネルギー密度プロファイルを有するビームが生成される。複数のビームは、複数のレーザ光源の個別の１つから生じ得るか、または複数のビームは、１つのレーザ光源によって出力されるビームを分割することによって得られ得る。複数の空間位相変調器が、複数の空間位相変調器にわたって総レーザ出力を分配することによって粉末床１４においてより高い光パワーレベルを提供するために適用され得る。
本明細書に記載される装置（例えば、誘導光ビームの動的成形および／またはプロファイリング（「ＤＢＳ」）を実行する装置、および／または粉末床１４の二次元領域にエネルギーを同時に印加する露光システム１６を含む装置）のいずれも、意図された光と実際に送達された光との間の意図しない差を検出および／または補正するための１つまたは複数のシステムを任意選択的に含む。そのような差は、様々な物理的影響によって引き起こされ得る。例えば、位相変調器などの空間光変調器の全部または一部の温度の変化は、ピクセルが所与の制御信号および／または位相変調器によって提供される空間屈折に対して生じさせる位相遅延の量を変化させる可能性がある。そのような変化は、例えば、高出力レーザビームによる位相変調器の加熱によって生じ得る。別の例として、レンズ効果などの物理的効果は、空間光変調器に入射するレーザビームの強度またはエネルギー密度の変化を生じさせ得る。これらのいずれもが、位相変調器によって生成される誘導光のパターンにおいて、誘導光の意図したパターンからの偏差をもたらし得る。
いくつかの実施形態は、そのような変化を監視するセンサを含む。図１３は、光特性を監視するセンサを有する例示的な装置１３０を示すブロック図である。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書で説明されるシステムは、位相変調器１３５または他の空間光変調器１３５Ａによって適用される位相パターンを直接的または間接的に監視する変調器センサ１３８を含む。
空間光変調器１３５Ａは、変調器センサ１３８からのフィードバック位相パターンに基づいて能動的に制御および調整され得る。いくつかの実施形態では、空間位相変調器用の制御システムは、空間光変調器１３５Ａの性能の変化を補償するために、変調器センサ１３８の出力に基づいて空間光変調器１３５Ａへの制御信号を調整するフィードバックコントローラを含む。例えば、監視された位相パターンによって生成された画像は、所望の位相パターンによって生成された画像と比較される。必要であれば、位相変調器の制御信号は、監視された位相パターンによって生成された画像が、所望の位相パターンによって生成された画像に近くなるように（好ましくは、同じになるように）調整され得る。変調器センサ１３８は、例えば、２Ｄカメラを備え得る。変調器センサ１３８は、例えば、軸上カメラを備え得る。いくつかの実施形態では、変調器センサ１３８は、位相変調器上の光レベルを評価するための軸外カメラを備える。
例えば、光学照明経路内のビームサンプラは、センサ１３８の２Ｄカメラ上へのビームの一部をサンプリングし得る。２Ｄカメラによって捕捉された画像は、空間光変調器１３５Ａによって提供されるエネルギー分布における誤差を識別するために、標的エネルギー分布と比較され得る。そのような誤差は、誤差を補償するために空間光変調器１３５Ａ用の駆動信号を調整するように動作するフィードバックコントローラに誤差（誤差画像を含み得る）を供給することによって、補正され得る。
いくつかの実施形態は、空間光変調器１３５Ａから上流の位置において空間光変調器１３５Ａに入射するビーム１３４を監視するように配置されたセンサ要素（例えば、２Ｄカメラ）を備える。このようなモニタは、「プロセスセンサ」と呼ばれ得る。プロセスセンサ１３９は、レーザ光源または他の上流の光学部品において生じる外乱（例えば、熱レンズ効果）を検出し得る。いくつかの実施形態では、空間位相変調器１３５Ａ用の制御システムは、空間光変調器１３５Ａに入射するビーム１３４の変化を補償するために、空間光変調器１３５Ａへの制御信号を調整するフィードバックコントローラを含む。
いくつかの実施形態において、ビーム１３４は、空間光変調器１３５Ａの上流で分割される。例えば、ビーム１３４は、９９．５％と０．５％に分割され得る。０．５％のビームは、スプリッタから空間光変調器１３５Ａと同じ経路距離にある平面に結像され得る。
いくつかの実施形態では、変調器センサ１３８および／またはプロセスセンサ１３９の出力は、動的ビーム成形機能を含む本明細書に説明されるような装置において走査スポットの位置（例えば、スキャナのＸ、Ｙ座標）と相関される。変調器センサ１３８および／またはプロセスセンサ１３９の出力は、動的ビーム成形プロセスを制御するのを支援するためのフィードバック信号として使用され得る。
いくつかの実施形態では、スキャナは、所望の軌跡をたどるようにスキャナを駆動するように動作可能なスキャナコントローラを備える。例えば、軌跡は、始点、終点、および始点と終点との間で維持されるべき所望の走査速度によって指定され得る多数のベクトルから構成され得る。いくつかの実施形態において、スキャナの現在の座標は、スキャナコントローラからの出力信号の形態で取得される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の組の監視されたパラメータ（例えば、溶融プール放射）は、適切なデータ構造内の対応する走査座標にリンクされる。いくつかの実施形態では、データ構造内の一組のパラメータは、可能性のある欠陥に対応するパラメータ値を識別するために処理される。リンクは、粉末床１４上の可能性のある欠陥の位置を特定する走査座標を決定するために適用され得る。可能性のある欠陥に対する走査座標は、（例えば、可能性のある欠陥の位置における顕微鏡撮像、プロービング、材料の再溶融またはアブレーションのうちの１つまたは複数によって）可能性のある欠陥を修復するためにスキャナまたは他の機構を制御するために使用され得る。
ＤＢＳの別の応用例は、走査スポットの現在位置における部品のフィーチャのサイズに基づいて走査スポットの幅を変化させるためにＤＢＳを使用することである。ＤＢＳは、小さな部品フィーチャ（例えば、薄壁、鋭角エッジ）に対してスポットを小さくするために使用され得る。また、ＤＢＳは、より大きな高密度フィーチャを処理する際に、スポットサイズを拡大するために使用され得る。例えば、現在の層に対するパターン１９は、現在の層における位置に応じたスポットサイズのマップを提供するために処理され得る。次に、ＤＢＳを使用して、スポットが層上を走査される際に、リアルタイムでスポットサイズが変更され得る。この技術は、現在の層の大きな高密度領域を処理するために必要とされる時間を短縮させつつ、小さなフィーチャに対して増大した解像度を提供することができる。
動的に可変のスポットサイズを提供するためにＤＢＳを使用することは、粉末床１４の固化領域をパターニングするために使用され得るが、感光性または感熱性のポリマー前駆体材料において重合を開始することによって動作するＡＭ技術においても適用され得る。
３： 組み合わされた光誘導およびレーザ走査
本明細書に記載される粉末床露光態様は、個別に使用されるか、または広範囲の複数の組み合わせのいずれかで使用され得る。図１４は、露光ユニットおよびレーザ走査による組み合わされた光誘導を実施する例示的な装置１４０を示すブロック図である。例えば、アディティブマニュファクチャリングのための装置１４０は、
・粉末床１４内の全ての領域または対応する領域を露光するように各々が動作する２つ以上の露光ユニット１６であって、露光ユニットのうちの異なるものによって操作される粉末床１４の複数の領域は、同じであっても、異なっていても、または異なりかつ重複してもよい、２つ以上の露光ユニット１６と、
・粉末床１４内の全て領域または選択された領域をカバーするフィールドにわたって少なくとも１つのビームを各々が走査することが可能な２つ以上の走査ユニット７６であって、走査ユニット７６のうちの異なるもののフィールドによってカバーされる粉末床１４の領域は、同じであっても、異なっていても、または異なりかつ重複してもよく、走査ユニット７６の一部または全部は、（本明細書で説明するように）動的ビーム成形能力を有し得、走査ユニット７６のいずれかまたは全てが、粉末床１４に対して走査ユニットのフィールドを位置決めするように動作可能なガントリまたは他のポジショナを備えるか、またはいずれも備えなくてもよい、２つ以上の走査ユニット７６と、を備え得る。
・アディティブマニュファクチャリングのための装置１４０は、１つまたは複数の露光ユニット１６および１つまたは複数の走査ユニット７６を備え得る。
・アディティブマニュファクチャリングのための装置１４０は、走査ユニット７６として再構成可能な１つまたは複数の露光ユニット１６を備え得る。
・アディティブマニュファクチャリングのための装置１４０は、上記の任意の組合せを備え得る。
少なくとも１つの露光ユニット１６と少なくとも１つの走査ユニット７６とを組み合わせる実施形態において、特に、少なくとも１つの走査ユニット７６が本明細書に記載されるようなＤＢＳ能力を有する場合に、著しい相乗効果が得られる。いくつかの実施形態は、赤外線スペクトルの光（例えば、１０００ｎｍ程度の波長を有する光）を放射する露光ユニット１６と、より短い波長の光（例えば、緑色光などの可視光）を放射する走査ユニット７６とを組み合わせる。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの露光ユニット１６および少なくとも１つの走査ユニット７６は、レーザ光源と、場合によっては、位相変調器１６Ｃまでの全ての光学系とを共有する。そのような実施形態では、誘導光で２Ｄ視野を照明する露光ユニット１６としての動作と、ＤＢＳ能力を有する走査ユニット７６としての動作との間の切り替えは、スキャナ７６用に折り曲げユニット１６Ｊを切り替えること、位相変調器１６Ｃによって変調された光が、粉末床１４の拡張された２Ｄ領域を照明するように誘導光を方向付けるように動作する折り曲げユニット１６Ｊ、または粉末床１４上にしっかりと合焦された光ビームを走査するように動作するスキャナ７６のいずれかに選択的に渡されるように光路を変更することを含み得る。
露光ユニット１６および走査ユニット７６の両方を含む実施形態は、様々な方式に従って粉末床１４の層に特定の固化パターンを適用するように制御され得る。例えば、露光ユニット１６は、粉末床１４の現在の層のより大きな連続領域を効率的に固化するために適用され得、走査ユニット７６は、粉末床１４の現在の層のパターンが微細な部分を指定する粉末床１４の領域を固化するために使用され得る。露光ユニット１６および走査ユニット７６は、同時にまたは別々の時間に作動され得る。
別の例として、走査ユニット７６は、露光ユニット１６の動作によって固化された領域内の欠陥に関するフィードバックに応答して制御されて、例えば、露光ユニット１６の動作によって固化されることが意図された層内の領域を再溶融および／または固化することによって欠陥を修復し得る。
例えば、欠陥は、粉末床１４の画像を処理することによって識別され得る。画像は、１つまたは複数の波長に対応し得る。例えば、画像は、粉末床１４から反射されたレーザ光、粉末床１４から放射された光（例えば、赤外光）、または撮像の目的で粉末床１４を照射する他の光のうちの１つまたは複数の波長で撮像され得る。いくつかの実施形態では、制御システムは、画像を処理して、例えば、パターン認識アルゴリズムおよび／または欠陥の位置を特定するか、または欠陥の位置を特定して分類するように訓練された畳み込みニューラルネットワークを使用して、欠陥を識別する。
走査ユニット７６は、例えば、欠陥に対応する粉末床１４の位置を再加熱すること、および／または欠陥に対応する位置で粉末床１４の表面をアブレーションすることによって、欠陥を修復するように制御され得る。
別の例として、露光ユニット１６が誘導光の二次元パターンを粉末床１４に方向付けている間に、走査ユニット７６を動作させて、監視温度が不所望に低い粉末床１４の領域の温度を上昇させ得る。例えば、粉末床１４の現在の層に対するパターンが、その層が固化されるべきであることを示している粉末床１４の領域において、温度監視が、粉末床１４の領域が閾値温度未満であることを示す場合、走査ユニット７６は、粉末床１４のその領域を閾値温度まで加熱するために追加のエネルギーを誘導し得る。閾値温度は、例えば、粉末床１４の材料の溶融または焼結による固化をもたらすのに十分に高い温度であり得る。
本明細書に記載される装置は、部品を製造する方法において使用され得る。図１５は、図１３に示すような装置を使用して部品を製造する方法１５０を示すフローチャートである。図１５Ａは、方法１５０におけるデータのフローを示すデータフロー図である。方法１５０は、以下のステップを含む。
Ｓ１． 製造されるべき部品のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データ１５１を作成するステップ。ＣＡＤデータ１５１は、例えば、ＣＡＤソフトウェアの支援により作成され得る。市販のＣＡＤソフトウェアには、Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ（商標）、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＮＸ（商標）、Ｃａｔｉａ（商標）、Ｓｏｌｉｄ Ｅｄｇｅ（商標）などが含まれる。
Ｓ２． ＣＡＤデータ１５１を処理して層データ１５２を生成するステップ。処理は、部品を製造するための最良の配向を決定すること、部品を密接した層にスライスすること、次いで、層の各々に対応する部品の断面を層データとして保存することを含み得る。各層は、特定の層厚を有する部品の単一スライスを表す。層データ１５２は、粉末床１４の対応する層内の固化されるべき領域を示すパターンを含む。
Ｓ３． 各層に対して、粉末床の固化されるべき領域に光を誘導する１つまたは複数の位相変調器に対する位相パターン１５３を決定するステップ。位相パターンは、予め定義されたプロセスパラメータに基づいて生成され得る。
Ｓ４． 部品の各層を作成するためのプロセスパラメータ１５４を決定するステップ。プロセスパラメータ１５４は、レーザ出力パワー、レーザデューティサイクル、走査速度、層厚、ハッチ間隔（隣接する走査線間の距離）、粉末床１４の予熱温度、および粉末床１４を露出させる期間のうちの１つまたは複数などのパラメータを含み得る。これらのパラメータのうちのいくつかは、予め定義され得る。例えば、いくつかの組のパラメータは、粉末床１４で使用されるべき粉末の特性（焼結温度または溶融温度など）に基づいて予め設定され得る。他のものは、層データ（例えば、層内の部品フィーチャがどれだけ微細であるか）に基づき得る。これらのパラメータのいくつかは、層内の領域および／またはゾーンの間で変化し得る。例えば、ハッチ間隔を変化させて、一部の領域において他の領域よりも狭いハッチ間隔を有する層を提供し得る。
Ｓ５． 粉末床１４を第１の層で初期化するステップ。
Ｓ６． 現在の層に対する位相パターン１５３を取得して、位相パターン１５３に従って露光ユニットの位相変調器を設定するステップ。
Ｓ７． （任意選択的に）現在の層を予熱するステップ。
Ｓ８． 露光ユニット１６を制御して、現在の層を十分に露光して層データ１５２に従って現在の層の固化されるべき領域を固化するステップ。
Ｓ９． 部品が完成していない場合、次の層を現在の層とし、新たな粉末層を粉末床１４に追加し、ステップＳ６に戻るステップ。
上記の例示的な方法は、粉末床１４の２Ｄ領域を露光ユニット１６により露光すること、粉末床１４を走査ユニット７６により走査することの組合せによって部品を製造することを促進にするように修正され得る。例えば、上記の方法の修正バージョンでは、ステップＳ３は、層データを処理して、ベクトルデータ１５５を生成することを追加的に含む。ベクトルデータ１５５は、１つまたは複数の走査ユニット７６によって走査される粉末床１４の領域を規定する。
ベクトルデータ１５５は、例えば、走査パターン１５６（例えば、ラスタ走査および／または現在の層に対するパターンの輪郭に沿った走査）、走査パターン１５６の異なるセグメントに対するＤＢＳ設定、および／または走査パターン１５６の異なるセグメントに対するレーザ強度を指定し得る。
図１４および図１５に示すように、位相パターンは、露光ユニット１６を制御するために適用され、ベクトルデータは、走査ユニット７６を制御するために適用され得る。
いくつかの実施形態では、ステップＳ３は、リアルタイムプロセスフィードバックによって位相パターンおよび／またはベクトルデータを更新することを含む。例えば、プロセスデータ１５７（例えば、粉末床１４の温度マップ、粉末床１４内の予測温度、粉末床１４の周囲の１つまたは複数のポイントで測定された温度、および／または粉末床１４の画像）が取得されて、ステップＳ３にフィードバックされ得、ステップＳ３は、更新された位相パターン１５３および／またはベクトルデータ１５５をリアルタイムに生成し得る。
プロセスフィードバックは、例えば、市販の溶融プール監視システムによって提供され得る。溶融プール監視システムは、例えば、ロバート・サンプソン（Robert Sampson）他著、「直接エネルギー蒸着プロセスにおける溶融プール監視の改良された方法（An improved methodology of melt pool monitoring of direct energy deposition processes)」、オプティクスアンドレーザテクノロジー(Optics&Laser Technology）、第１２７巻、２０２０年７月、１０６１９４に記載されている。溶融プール監視システムは、ドイツのリューベック（Ｌｕｅｂｅｃｋ）にあるＳＬＭソリューションズ社（ＳＬＭ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｇｒｏｕｐ ＡＧ）などから市販されている。
いくつかの実施形態は、レーザのパワー出力を管理するための以下の技術のうちのいくつかを適用する。走査されたレーザスポットの軌跡に沿った特定のポイントにおいて、光パワーをほとんどまたは全く送達しないことが望ましい場合がある。例えば、粉末床の固化されるべき領域から粉末床の固化されるべきでない領域への境界を横断した直後に、走査線（例えば、ラスタパターン）間で切り替えるとき、または粉末床の固化されるべきでない領域を横断して走査するとき、光パワーをほとんどまたは全く送達しないことが望ましくあり得る。そのような場合、レーザパワーは、以下のうちの１つまたは複数によって低減され得る。
・レーザを無効にする。これは、レーザが再びイネーブルされた後に動作中に何らかの不安定性を経験する可能性があるため、望ましくない可能性がある。
・レーザを低出力レベルにする。いくつかのレーザでは、最低動作出力レベルが不所望に高い場合があり得る（例えば、最大出力の１０％）。いくつかのファイバレーザの最小出力は、ファイバレーザの最大出力の約１０％である。
・ＤＢＳを用いてスポットをデフォーカスする。スポット径を１０倍に増加させると、スポット内の強度を１００分の１に減少させることができる。
・位相変調器に適用される位相パターンを変更して、レーザ光を光ダンプに再方向付けする。
・可変ビームスプリッタ（例えば、偏光ビームスプリッタ）を調整して、レーザビームからの一部の光を除去する。
・レーザビームの経路内のシャッタを閉じるか、またはレーザビームの経路内に光減衰器を挿入する。
いくつかの例示的な実施形態では、レーザは、出力パワーがないことを保証するために、１つの走査ベクトルから別の走査ベクトルに切り替えるときに無効にされる。そのような実施形態では、新たな走査線上で走査を再開する前に、短い期間（例えば、数μｓから数ｍｓ）の間走査を停止することによって、２つの走査ベクトル間で（レーザ出力なしで）切り替えるときに、動的な影響が最小限に抑えられる。これは、走査が再開する前に安定した出力状態になるための時間をレーザに与え得る。
いくつかの実施形態は、本明細書で説明される露光ユニットおよび／またはスキャナにおいて光源として使用されるレーザのレーザのパワー出力を設定するためのフィードバック制御システムを提供する。例えば、変調器センサ１３８（例えば、軸上カメラ）からのデータは、位相パネルによって反射された光の全体的なレベルを示し得るか、または示すように処理され得る。反射光のレベルは、レーザの光パワー出力に応じたものである。このレベルは、レーザのセットポイントを制御する追加的なフィードバックシステムにおいて使用され得る。
本明細書で説明される技術は、部品を製造するための様々な方式を適用するように構成され得る。これらの方式は、例えば、部品を製造するために装置にそのような方式を実行させるように構成されたコントローラの制御下で、そのような装置によって実行され得る。図１６Ａ、図１６Ｂおよび図１６Ｃは、１つまたは複数の露光ユニット１６を使用して粉末床１４の層をパターニングするために適用され得るいくつかの例示的な方式を示す。
図１６Ａにおいて、露光ユニットは、粉末床１４の現在の層の領域１６１内のフィーチャを固化するために光を誘導するように動作される。粉末床１４は、非誘導光によって同時に照明され得る。非誘導光は、例えば、粉末床１４の全て、領域１６１を含む粉末床１４の一部、または領域１６１を照明し得る。非誘導光は、例えば、粉末床１４上で均一であり得、かつ／または粉末床１４の温度を均一に上昇させるように設計された固定エネルギー密度プロファイルを有し得る。非誘導光は、誘導光と同じおよび／または異なる光源から生じ得る。例えば、
・誘導光および非誘導光は、別個のレーザ光源から生じ得、
・誘導光の少なくとも一部は、誘導光を供給する露光ユニットの位相変調器による位相変調なしに反射された光を捕捉することによって取得され得、
・非誘導光は、誘導光を供給するレーザビームからの光を分割することによって取得され得る。
粉末床１４の現在の層がパターニングされている間、誘導光の強度は、固定された状態に保持され得るか、または変化させられ得る（例えば、増加される）。粉末床１４の現在の層がパターニングされている間、非誘導光の強度は、固定された状態に保持され得るか、または変化され得る（例えば、増加され得る）。
図１６Ｂは、別の方式を示す。この例では、固化されるべきフィーチャを含む粉末床１４の現在の層の領域１６１は、複数のサブセクション１６２に分割される。サブセクション１６２Ａ～１６２Ｅは、図１６Ｂに示される。サブセクション１６２は、互いに完全にまたは部分的に重複し得か、または重複し得ない。この例では、サブセクション１６２のうちの異なるサブセクション内のフィーチャが異なる時間に露光される。いくつかの実施形態では、サブセクション１６２のうちの異なるものを露光するための光は、異なる露光ユニット１６によって提供される。サブセクション１６２を処理する順序は任意に選択され得る。上述したように、粉末床１４の任意の部分または全ては、非誘導光によって同時に照射され得る（有利には、領域１６１は、非誘導光の少なくとも一部を受光する）。領域１６１の露光中、誘導光および／または非誘導光の強度は、一定に保持され得るか、または変化され得る。
図１６Ｃは、サブセクション１６２が、異なる露光ユニット１６による同時または異なる時間のいずれかでの露光を可能にするように形成されることを除いて、図１６Ｂの方式と同様の方式を示す。サブセクション１６２Ｆおよび１６２Ｇが示されている。
拡張領域を同時に照射するように誘導される光を使用して溶融することによって粉末床１４の拡張領域を固化しようと試みる場合に遭遇する可能性がある１つの問題は、拡張領域が一度に溶融されるいくつかの材料によっては、表面張力により、球状化などの不所望の歪みが生じる可能性があることである。様々な方式を使用して、この問題を軽減または回避し得る。そのような方式の２つの例は以下の通りである。
・拡張領域内の粉末床１４の温度を固化温度（例えば、粉末床１４の材料の溶融温度または焼結温度）に近いがそれよりも低い温度まで上昇させるために誘導光を使用し、かつ拡張領域内の粉末床１４を固化するために走査光を使用すること。この方式では、粉末床が固化温度に近い温度までまだ加熱されていなければ、走査光は、必要とされる強度よりも低い強度を有し得、かつ／または走査速度は、他の方法で可能な速度よりも速くなり得る。
・拡張領域内の誘導光が、時間とともに移動するより高い強度のスポットおよびより低い強度のスポットで変調されるように、光誘導を動的に変化させるように位相変調器を制御すること。例えば、より高い強度のスポットおよびより低い強度のスポットは、市松模様パターンを形成し得る。より高い強度のスポットは、それらが隣接する粉末床の部分を所与の時間に溶融するのに十分なエネルギーを堆積させることができ、より低い強度のスポットは、それらが隣接する粉末床１４の領域が溶融されないか、または固化することが可能となるのに十分な低い強度を有することができる。
・粉末床１４内のフィーチャを固化させた後、粉末床１４の次の層が塗布され得る温度まで粉末床１４が徐々に冷却されることが可能となるように、非誘導光および／または誘導光の強度を制御すること。
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、誘導光による２Ｄ領域の露光と走査光による露光とを組み合わせる例示的な方式を提供する。図１７Ａは、領域１６１内の微細なフィーチャを処理するために走査光スポット１６３がさらに適用されることを除いて、図１６Ａを参照して説明したものと同じ方式を示す。
図１７Ｂは、層の固化されるべき領域の周囲に延在する輪郭１６４を加工するために走査光ビームが適用されることを除いて、図１７Ａの方式と同様の方式を示す。
図１７Ｃは、領域１６１内の微細なフィーチャを処理するために走査光スポット１６３がさらに適用されることを除いて、図１６Ｂの方式と同じ方式を示す。
本明細書に記載される方法および装置は、異なる材料（同じ部品に２つ以上の異なる材料を使用する場合であっても）、異なる形状、異なるレベルの複雑さ、異なる微細構造、および異なるプロセスの最適化（例えば、生産速度の最適化または高い部品品質の最適化）の部品を製造するための大きな柔軟性を提供することができる。
本技術が多くの現在のＡＭシステムに対して利点を有する部品の例は、歯車である。歯車は、例えば、外周面および／または内周面（例えば輪歯車の場合）に形成され得る歯部を有する。歯部は、精密公差で形成されるべきプロファイル（例えば、インボリュートプロファイル）を有し得る。歯部は、歯車の他の部分よりも高い硬度を提供する微細構造を有するように特定され得る。歯車の本体は、例えば、小さなフィーチャを持たない中実の塊からなる。本技術は、（例えば、本明細書に記載される１つまたは複数の露光ユニットを単独で、または１つまたは複数の走査スポットと共に使用して）粉末床を迅速に固化して歯車の本体の層を形成するために適用され得る。歯部は、本明細書で説明される技法を使用して、場合によっては正確な予熱および／または後加熱と組み合わせて、ＤＢＳを使用して成形されたスポットを走査することによって、特定の微細構造で精密に形成され得る。
位相パターンの作成
本明細書で説明される実施形態の多くは、光ビームを成形すること、光ビームのエネルギー密度プロファイルを変更すること、および２Ｄ領域の一部を選択的に照明するように光を誘導することのうちの１つまたは複数を行うように制御される位相変調器を含む。そのような制御を実装するために位相変調器に適用され得る位相パターンは、例えば、以下の参考文献に説明されるように決定され得る。
・「イメージング、照明、プロジェクションに応用可能な、効率的でダイナミックでハイコントラストなレンズ効果（EFFICIENT,DYNAMIC,HIGH CONTRAST LENSING WITH APPLICATIONS TO IMAGING,ILLUMINATION AND PROJECTION）と題された国際公開第２０１５／１８４５４９号
・「自由形状レンズ効果に関する数値的アプローチ（NUMERICAL APPROACHES FOR FREE-FORM LENSING）」と題された国際公開第２０１６／０１５１６３号
いくつかの実施形態では、位相変調器のピクセルは、光の所望の誘導を提供するホログラムを表示するように設定される。
いくつかの実施形態では、位相変調器に適用される位相パターンは、位相変調器の隣接ピクセル間の位相変化を最小限に抑えながら、所望の光誘導または成形を実現するように最適化される。
本明細書に記載されているように、様々な波長の光が使用され得る。波長は、粉末床１４の材料に基づいて選択され得る。例えば、多くの金属粉末は、赤外領域の波長（例えば、約１０７０ｎｍの波長）の光を効果的に吸収する。銅の場合、３００～５００ｎｍの範囲（可視スペクトルの青緑色部分）の波長が吸収ピークに対応するため、これらの波長が使用され得る。
いくつかの実施形態では、露光ユニット１６に光を提供するために使用されるレーザ光源は、８００Ｗ以上の出力パワーを有する。いくつかの実施形態では、露光ユニットに光を提供するために使用されるレーザ光源は、５０Ｗ以下の出力パワーを有する。いくつかの実施形態では、複数のレーザビームが組み合わされて、スキャナ（任意選択で、ＤＢＳを実行するように構成されたスキャナ）で使用するための、または本明細書に記載された露光ユニットで使用するための、より高出力のレーザビームが生成される。
いくつかの実施形態では、光源は、ダイオードレーザの１つまたは複数のバンクを備える。ダイオードレーザからの光は、本明細書で説明するように使用するためのビームを生成するために合成される。
いくつかの実施形態では、光源は、異なる波長の複数のレーザを備える。レーザビームにわずかに異なる波長を含めることにより、レーザスペックルを低減し得る。波長は、本明細書で説明されるような位相変調器による光誘導の精度が維持される程度に近いことが好ましい。例えば、ビームに合成される光の波長は、数ｎｍだけ異なり得る。
いくつかの実施形態において、光源は、パルス化され得るレーザ（パルスレーザ）を備える。パルスレーザは、例えば、高出力レーザダイオードを備え得る。いくつかの実施形態では、そのようなパルスレーザは、粉末床１４から材料をアブレーションし、表面研磨などを行うように制御され得る。
用語の解釈
本明細書および特許請求の範囲全体を通して、文脈が明らかにそうでないことを要求しない限り、
・「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などは、排他的または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味、即ち「含むが、これに限られない」との意味に解釈するものとし、
・「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、またはそれらの任意の変形は、２つ以上の要素間の直接的または間接的な任意の接続または結合を意味し、要素間の結合または接続は、物理的、論理的、またはそれらの組み合わせとすることができ、
・本明細書を説明するために使用される場合、「本明細書において」、「上記」、「以下」、および同様の意味の単語は、本明細書の任意の特定の部分ではなく、本明細書全体を指すものとし、
・２つ以上の項目のリストを言及する「または」は、当該単語の以下の解釈の全て、即ち、当該リスト内の項目のいずれか、当該リスト内の項目の全て、および当該リスト内の項目の任意の組み合わせをカバーし、
・単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、任意の適切な複数形の意味も含む。
本明細書および任意の添付の特許請求の範囲（存在する場合）において使用される「垂直」、「横断」、「水平」、「上向き」、「下向き」、「前方」、「後方」、「内側」、「外側」、「左」、「右」、「前」、「後」、「頂」、「底」、「下方」、「上方」、「真下」などの方向を示す用語は（存在する場合）、記載され図示される装置の特定の方向に依存する。本明細書に記載の主題は、様々な代替的な向きをとり得る。従って、これらの方向を示す用語、は厳密に定義されるものではなく、狭義に解釈されるべきではない。
本明細書で参照される全ての特許、特許出願および他の刊行物は、全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書に記載の装置は、特別に設計されたハードウェア、構成可能なハードウェア、データプロセッサ上で実行可能なソフトウェア（任意選択で「ファームウェア」を含み得る）の提供によって構成されたプログラム可能なデータプロセッサ、本明細書で詳細に説明される方法における１つまたは複数のステップおよび／またはこれらのうちの２つ以上の組合せを実行するように特別にプログラム、構成、または構築された専用コンピュータまたはデータプロセッサを使用して実施される制御デバイスを含み得る。特別に設計されたハードウェアの例は、論理回路、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、大規模集積回路（「ＬＳＩ」）、超大規模集積回路（「ＶＬＳＩ」）などである。構成可能なハードウェアの例は、プログラマブルアレイロジック（「ＰＡＬ」）、プログラマブルロジックアレイ（「ＰＬＡ」）、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）などの１つまたは複数のプログラマブルロジックデバイスである。プログラマブルデータプロセッサの例は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、埋め込みプロセッサ、グラフィックスプロセッサ、数学コプロセッサ、汎用コンピュータ、サーバコンピュータ、クラウドコンピュータ、メインフレームコンピュータ、コンピュータワークステーションなどである。例えば、本明細書で説明されるようなアディティブマニュファクチャリング装置のための制御回路内の１つまたは複数のデータプロセッサは、プロセッサにアクセス可能なプログラムメモリ内のソフトウェア命令を実行することによって、粉末床の層を制御可能に固化するために、本明細書で説明されるような方法を実施し得る。
本発明のいくつかの実施形態は、プログラム製品を提供する。プログラム製品は、データプロセッサによる実行時に、データプロセッサに本発明の方法を実行させるコンピュータ可読、コンピュータ実行可能命令のセットを担持する任意の非一時的な媒体を含み得る。本発明によるプログラム製品は、多種多様な形態のいずれであり得る。プログラム製品は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスケットを含む磁気データ記憶媒体、ハードディスクドライブ、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤを含む光データ記憶媒体、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭ、ＥＰＲＯＭを含む電子データ記憶媒体、配線接続されるかまたは予めプログラムされたチップ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ半導体チップ）、ナノテクノロジーメモリなどの非一時的な媒体を含み得る。プログラム製品上のコンピュータ可読信号は、任意選択で圧縮または暗号化され得る。
コンポーネント（例えば、光源、光学素子、コントローラ、空間光変調器、プロセッサ、アセンブリ、デバイス等）が上記で言及される場合、別段の指示がない限り、そのコンポーネントへの言及（「手段」への言及を含む）は、そのコンポーネントの均等物として、説明されるコンポーネントの機能を実行する（即ち、機能的に均等である）任意のコンポーネントを含むものとして解釈されるべきであり、本発明の図示される例示的な実施形態において機能を実行する開示される構造と構造的に均等ではないコンポーネントも含まれる。
システム、方法、および装置の特定の例が、例示の目的で本明細書に記載されている。これらは単なる例にすぎない。本明細書で提供される技術は、上述の例示的なシステム以外のシステムに適用することができる。本発明の実施の範囲内で、多くの変更、修正、追加、省略、および置換が可能である。本発明は、特徴、要素および／または動作を同等の特徴、要素および／または動作で置き換えること、異なる実施形態からの特徴、要素および／または動作を混合およびマッチングすること、本明細書に記載された実施形態からの特徴、要素および／または動作を他の技術の特徴、要素および／または動作と組み合わせること、ならびに／あるいは記載された実施形態からの特徴、要素および／または動作を組み合わせることを省略することによって得られる変形を含む、当業者に明らかである記載された実施形態の変形を含む。
例えば、プロセスまたはブロックが所与の順序で提示されているが、代替例は、異なる順序でプロセスまたはブロックを実行し得る。さらに、いくつかのプロセスまたはブロックは、代替またはサブコンビネーションを提供するために、削除、移動、追加、細分化、結合、および／または修正され得る。これらのプロセスまたはブロックの各々は、様々な異なる方法で実施され得る。また、プロセスまたはブロックは、時には順次実行されるものとして示されているが、代わりに、同時にまたは異なる順序で実行され得る。従って、以下の特許請求の範囲は、それらの意図された範囲内にあるそのような全ての変形形態を含むように解釈されることが意図される。
様々な特徴が、「いくつかの実施形態」または「いくつかの実装形態」に存在するものとして本明細書で記載されている。そのような特徴は必須ではなく、全ての実施形態に存在しなくてもよい。本発明の実施形態は、そのような特徴のうちのゼロ、任意の１つ、または２つ以上の任意の組み合わせを含み得る。そのような特徴の全ての可能な組合せは、そのような特徴が異なる図面に示され、かつ／または異なるセクションもしくは段落に記載されている場合であっても、本開示によって企図される。これは、当業者がそのような不適合性のない特徴を組み合わせる実用的な実施形態を構築することが不可能であるという意味で、そのような特徴のうちの特定ものがそのような特徴のうちの他のものと不適合性がないという範囲にのみ制限される。従って、「いくつかの実施形態」が特徴Ａを有し、「いくつかの実施形態」が特徴Ｂを有するという記載は、発明者が（当該記載がそうでないことを述べていない限り、または特徴ＡおよびＢが基本的に不適合性がない限り）特徴ＡおよびＢを組み合わせる実施形態も企図するという明示的な表示として解釈されるべきである。
従って、以下の添付の特許請求の範囲および以降に導入される特許請求の範囲は、合理的に推論され得るような全てのそのような修正、置換、追加、省略、およびサブコンビネーションを含むように解釈されることが意図される。特許請求の範囲は、複数例に記載される好ましい実施形態によって限定されるべきではなく、全体としての記載と一致する最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (332)

  1. アディティブマニュファクチャリングのための装置であって、
    粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、
    前記粉末床の位置まで延びる光路内に光ビームを放射するように動作可能な光源であって、前記光路は、複数のピクセルの二次元アレイを備える活性領域を有する位相変調器を含み、前記複数のピクセルは、前記複数のピクセルと相互作用する光に位相シフトを適用するように個々に制御可能である、前記光源と、
    前記位相変調器の前記複数のピクセルを、前記位相変調器の前記活性領域に入射する光に位相シフトの選択されたパターンを適用するように構成して、前記粉末床の前記位置に入射する光のエネルギー密度プロファイルが、前記位相変調器によって適用される位相シフトの現在のパターンによって少なくとも部分的に決定されるようにするように接続されたコントローラと、を備える装置。
  2. 前記コントローラは、前記位相変調器を制御することによって少なくとも部分的に前記光ビームを制御して、前記粉末床の最上層の一部を選択的に固化するように構成される、請求項１に記載の装置。
  3. 固化することは、前記粉末床の最上層において粒子を焼結することを含む、請求項２に記載の装置。
  4. 固化することは、前記粉末床の最上層の粒子を溶融することを含む、請求項２に記載の装置。
  5. 前記コントローラが、固化の前に前記粉末床を予熱するように構成される、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記コントローラは、予熱位相シフトパターンを提供するように前記位相変調器を制御することによって固化の前に前記粉末床を予熱するように構成される、請求項５に記載の装置。
  7. 前記コントローラが、固化の後に前記粉末床を後加熱するように構成される、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記コントローラが、加熱後位相シフトパターンを提供するように前記位相変調器を制御することによって、固化の後に前記粉末床を後加熱するように構成される、請求項７に記載の装置。
  9. 前記光源と前記位相変調器との間にある調整光学系を備え、前記調整光学系は、ビームの断面を拡大し、かつ前記位相変調器の活性領域に一致する矩形領域を満たすように前記ビームを成形するように構成される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記調整光学系は、前記位相変調器の前記活性領域の外側に当たる光を遮断するように配置され、かつ大きさが決められたアパーチャを含む、請求項９に記載の装置。
  11. 前記調整光学系は、前記位相変調器の偏光に一致するようにビームの偏光を設定するように配向された偏光子を備える、請求項９または１０に記載の装置。
  12. 前記光源は、レーザである、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. 前記レーザは、パルスレーザである、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記レーザは、連続レーザである、請求項１２に記載の装置。
  15. 前記レーザは、少なくとも５００ワットの出力パワーを有する、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
  16. 前記レーザは、少なくとも１０００ワットの出力パワーを有する、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記レーザは、５０ワット以下の出力パワーを有する、請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の装置。
  18. 前記光源は、より高出力のレーザビームを生成するために組み合わされた複数のレーザを含む、請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の装置。
  19. 前記光源は、半導体レーザの１つまたは複数のバンクを含む、請求項１８に記載の装置。
  20. 前記光源は、異なる波長の複数のレーザを含む、請求項１８または１９に記載の装置。
  21. 前記複数のレーザの波長の差は、２０ｎｍ以下である、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記光源は、偏光を放射する、請求項１２乃至２１のいずれか一項に記載の装置。
  23. 前記光路内にある振幅変調器を備える、請求項１乃至２２のいずれか一項に記載の装置。
  24. 前記振幅変調器は、光の２Ｄパターンを精緻化するように動作可能である、請求項２３に記載の装置。
  25. 前記コントローラは、エッジを直線状にするか、または前記２Ｄパターンから高強度アーチファクトを除去するように前記振幅変調器を制御するように構成される、請求項２４に記載の装置。
  26. 前記位相変調器は、少なくとも第２の位相変調器を含む複数の位相変調器のうちの第１の位相変調器であり、前記光路は、前記光源からのビームを、前記第１の位相変調器の前記活性領域を照射するように方向付けられた第１の部分と、前記第２の位相変調器の前記活性領域を照射するように方向付けられた第２の部分とに分割するように構成されたビームスプリッタを備えており、前記光路は、前記第１および第２の位相変調器と相互作用した光を、合成された光が前記粉末床の前記位置に送達される前に合成するように構成されたビーム合成器を備えている、請求項１乃至２５のいずれか一項に記載の装置。
  27. 前記ビームスプリッタは、光の前記第１の部分および光の前記第２の部分が実質的に等しい光パワーを搬送するように構成される、請求項２６に記載の装置。
  28. 前記コントローラは、位相シフトの同じパターンを前記第１の位相変調器および前記第２の位相変調器に適用するように構成される、請求項２６または２７に記載の装置。
  29. 前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、前記装置は、前記ビームスプリッタと前記第２の位相変調器との間の前記光路の一部に配置された波長板を備える、請求項２６乃至２８のいずれか一項に記載の装置。
  30. 前記波長板は、半波長板である、請求項２９に記載の装置。
  31. 前記ビーム合成器は、偏光ビーム合成器であり、前記装置は、前記第１の位相変調器または前記第２の位相変調器と前記ビーム合成器との間の前記光路の一部に配置された第２の波長板を備える、請求項２６乃至３０のいずれか一項に記載の装置。
  32. 前記第２の波長板は、前記第１の位相変調器と前記ビーム合成器との間の前記光路の一部に配置される、請求項３１に記載の装置。
  33. 前記第２の波長板は、半波長リターダである、請求項３２に記載の装置。
  34. 前記粉末床は、雰囲気制御されたエンクロージャ内に収容されている、請求項１乃至３３のいずれか一項に記載の装置。
  35. 前記雰囲気制御されたエンクロージャは、不活性ガスで充填されている、請求項３４に記載の装置。
  36. 前記雰囲気制御されたエンクロージャは、窓を備えており、前記光路は、前記窓を通過する、請求項３４または３５に記載の装置。
  37. 前記プラットフォームの垂直高さを調整するように動作可能なエレベータを備える、請求項１乃至３６のいずれか一項に記載の装置。
  38. 前記コントローラは、前記粉末床の上面を固定高さに維持するように前記エレベータを動作させるように構成される、請求項３７に記載の装置。
  39. 前記粉末床の上面の全部または一部を照明するように動作可能な非誘導式光源を備える、請求項１乃至３８のいずれか一項に記載の装置。
  40. 前記非誘導式光源は、位相変調器によって鏡面反射された光を収集し、前記位相変調器によって鏡面反射された光を前記粉末床の前記位置に送達するように構成された光学素子を備える、請求項３９に記載の装置。
  41. 前記非誘導式光源は、１つまたは複数の追加的な光源を含む、請求項３９または４０に記載の装置。
  42. 前記非誘導式光源は、前記光源によって放射されたビームからの光を分割するように構成されたビームスプリッタを備える、請求項４０または４１に記載の装置。
  43. 前記コントローラは、非誘導光と前記位相変調器によって位相シフトされた光との相対量を調整するように構成される、請求項４０乃至４２のいずれか一項に記載の装置。
  44. 前記粉末床に熱を方向付けるように動作可能な１つまたは複数の加熱器を備える、請求項１乃至４３のいずれか一項に記載の装置。
  45. 前記１つまたは複数の加熱器は、
    ・前記粉末床の前記位置に光エネルギーを方向付けるように構成された１つまたは複数の追加的な光源と、
    ・１つまたは複数の抵抗加熱素子と、
    ・１つまたは複数のマイクロ波エネルギー源と、
    ・１つまたは複数の誘導加熱器と、
    ・高周波エネルギーまたはマイクロ波エネルギーの供給源と組み合わせた１つまたは複数のサセプタと、のうちの一つ、または２つ以上の組み合わせを含む、請求項４４に記載の装置。
  46. ビームは、光放射の２Ｄパターンで前記粉末床の前記位置に投射される、請求項１乃至４５のいずれか一項に記載の装置。
  47. 前記２Ｄパターンは、前記粉末床の領域の少なくとも１０％をカバーする、請求項４６に記載の装置。
  48. 前記２Ｄパターンは、前記粉末床の領域の少なくとも２０％をカバーする、請求項４７に記載の装置。
  49. 前記２Ｄパターンは、前記粉末床の領域の実質的に全てをカバーする、請求項４８に記載の装置。
  50. 前記２Ｄパターンは、３００ｍｍ×３００ｍｍ以上の大きさを有する領域をカバーする、請求項４６乃至４９のいずれか一項に記載の装置。
  51. 前記２Ｄパターンは、３００ｍｍ×３００ｍｍ以下の大きさを有する領域をカバーする、請求項４６乃至４９のいずれか一項に記載の装置。
  52. 前記コントローラは、光の前記２Ｄパターンを形成するように前記ビームからの光が誘導されるようにする光誘導位相パターンを提示するために前記位相変調器を制御するように構成され、誘導は、前記２Ｄパターンの低強度部分を形成するために前記２Ｄパターンの特定の部分から離れるように光を誘導し、前記２Ｄパターンの高強度部分を形成するために前記２Ｄパターンの他の領域に光を集光させる、請求項４６乃至５１のいずれか一項に記載の装置。
  53. 前記コントローラは、前記粉末床の層のパターンに基づいて前記位相変調器を制御するように構成され、前記パターンは、前記粉末床の層の固体化されるべき部分と前記粉末床の層の固体化されるべきでない他の部分とを示すデジタルデータを含み、前記コントローラは、光が前記粉末床の層の固体化されるべき部分に集中し、前記粉末床の層の固体化されるべきでない部分から離れるように誘導されるように前記ビーム内の光を誘導するために前記光誘導位相パターンを選択するように構成される、請求項５２に記載の装置。
  54. 前記光誘導位相パターンは、前記ビームの光を、可変ウェッジ角を有するウェッジと重ね合わされた形状に集中させる位相パターンを含み、前記コントローラは、前記形状を前記粉末床を横切る方向に走査させるように前記ウェッジ角を変化させるように構成される、請求項５２に記載の装置。
  55. 前記形状は、円形、線、正方形、長方形、長円形、または卵形である、請求項５４に記載の装置。
  56. 前記光源によって放射されるビームは、ガウスエネルギー分布を有する、請求項１乃至５５のいずれか一項に記載の装置。
  57. 前記コントローラは、１つまたは複数のセンサからのフィードバックに応答して位相パターンを修正することによってフィードバック制御を適用するように構成される、請求項１乃至５６のいずれか一項に記載の装置。
  58. 前記１つまたは複数のセンサは、前記粉末床の前記位置の高解像度画像を取得するように動作するカメラを含む、請求項５７に記載の装置。
  59. 前記１つまたは複数のセンサは、前記光路の一部を介して前記粉末床の前記位置を撮像するように配置されたカメラを含む、請求項５７または５８に記載の装置。
  60. 前記コントローラは、前記１つまたは複数のセンサからのフィードバックを処理して、前記粉末床の現在の層の領域が固化したことを決定するように構成される、請求項５７乃至５９のいずれか一項に記載の装置。
  61. 前記フィードバック制御が、別個のフィードバックループを使用して、前記現在の層における前記粉末床の固化されるべき領域の温度を制御すること、前記現在の層における前記粉末床の固化されるべきでない領域の温度を制御することを含む、請求項５７乃至６０のいずれか一項に記載の装置。
  62. 前記コントローラが、前記粉末床の領域のデフォーカス照明または均一照明を提供する第１の位相パターンと、それに続く前記粉末床の１つまたは複数の領域のフォーカス照明を提供する第２の位相パターンとを適用することによって、前記位相変調器の位相パターンを動的に変化させるように構成される、請求項１乃至６１のいずれか一項に記載の装置。
  63. 前記光源および光路が第１の露光ユニットによって提供され、前記装置が複数の露光ユニットを備え、各露光ユニットが対応する光源および対応する光路を備える、請求項１乃至６２のいずれか一項に記載の装置。
  64. 前記複数の露光ユニットのうちの２つ以上が、前記粉末床の同じ領域を照明する、請求項６３に記載の装置。
  65. 前記複数の露光ユニットのうちの２つ以上が、前記粉末床の重複領域を照明する、請求項６３に記載の装置。
  66. 前記複数の露光ユニットの各々が、前記粉末床の別個の領域を照明する、請求項６３に記載の装置。
  67. 前記複数の露光ユニットのうちのいくつかは、非誘導光および／またはデフォーカス誘導光を前記粉末床に送達するように構成される、請求項６３に記載の装置。
  68. 前記コントローラは、前記粉末床の前記位置に入射する光の前記エネルギー密度プロファイルを、
    ・前記光源のパワーを変更すること、
    ・前記粉末床の固化されるべきでない領域が閾値を超える温度を有する場合、該領域に方向付けられる光パワーを低減するように位相パターンを変更すること、および／または
    ・ビームから前記粉末床の前記位置への光の送達を中断することのうちの１つまたは複数によって調整するように構成される、請求項１乃至６７のいずれか一項に記載の装置。
  69. 前記光源と前記位相変調器との間の前記光路内にあるビーム成形ユニットを備え、前記ビーム成形ユニットは、前記位相変調器の前記活性領域をカバーするようにビームを拡大および成形する光学素子を含む、請求項１乃至６８のいずれか一項に記載の装置。
  70. 前記ビーム成形ユニットは、コリメータを含む、請求項６９に記載の装置。
  71. 前記位相変調器の前記活性領域上のビームのエネルギー分布は、実質的に均一である、請求項１乃至７０のいずれか一項に記載の装置。
  72. 前記位相変調器と熱的に接触しているヒートシンクを備える、請求項１乃至７１のいずれか一項に記載の装置。
  73. 前記ヒートシンクは、ペルチェ冷却器によって冷却される、請求項７２に記載の装置。
  74. 前記位相変調器から離間しているアパーチャを備え、前記アパーチャは、前記位相変調器の前記活性領域に入射する光を通過させ、かつ前記位相変調器および前記活性領域の外側に入射する光を遮断するような大きさである、請求項１乃至７３のいずれか一項に記載の装置。
  75. 前記光路は、前記粉末床の前記位置に斜めに入射するように光を送達する、請求項１乃至７４のいずれか一項に記載の装置。
  76. 前記粉末床の前記位置において前記光路からの光によって照明される領域の異なる部分に入射する光が、異なる斜角で前記粉末床に入射する、請求項７５に記載の装置。
  77. 前記コントローラは、位相シフトのパターンに、ｆ－θレンズとして機能する位相成分を含ませるように構成される、請求項７５または７６に記載の装置。
  78. 前記コントローラは、位相シフトのパターンに、前記粉末床への光の斜め入射角から生じる幾何学的な歪みを補償する位相成分を含ませるように構成される、請求項７５乃至７７のいずれか一項に記載の装置。
  79. 前記コントローラは、前記粉末床の前記位置に前記光ビームを「オートフォーカス」するように構成される、請求項１乃至７８のいずれか一項に記載の装置。
  80. 前記オートフォーカスが、前記粉末床の前記位置における光のパターンの画像に基づいて、前記位相変調器に適用される位相パターンのオートフォーカス成分を反復的に調整することを含む、請求項７９に記載の装置。
  81. 前記コントローラは、前記粉末床上の光のスポットのサイズを監視するように構成される、請求項８０に記載の装置。
  82. 前記コントローラは、光のスポットのサイズが基準を満たすまで反復プロセスを繰り返すように構成される、請求項８０または８１に記載の装置。
  83. 前記基準は、光のスポットが閾値直径未満の直径を有していること、光のスポットのサイズが最小化されていることのうちの１つまたは複数を含む、請求項８２に記載の装置。
  84. オートフォーカス位相成分は、パラメータ化されたレンズモデルであり、前記コントローラは、前記レンズモデルのパラメータ空間において最適化を実行するように構成される、請求項７９乃至８３のいずれか一項に記載の装置。
  85. 前記コントローラは、前記装置の構成要素の異なる温度および／または異なる光パワーレベルに対する熱レンズ効果を補償するための補正位相パターンを確立し、１つまたは複数の測定された構成要素の温度および／または現在の光パワーレベルに基づいて前記補正位相パターンを前記位相変調器に適用するように構成される、請求項７９乃至８４のいずれか一項に記載の装置。
  86. 前記光路内にある走査ユニットを備え、前記走査ユニットは、前記粉末床の前記位置を横切って少なくとも１つの次元で前記光ビームを走査するように動作可能である、請求項１乃至８５のいずれか一項に記載の装置。
  87. 前記走査ユニットは、回転ポリゴンミラーを含む、請求項８６に記載の装置。
  88. 前記走査ユニットは、前記粉末床の前記位置を横切って二次元で前記光ビームを走査するように動作可能である、請求項８６または８７に記載の装置。
  89. 前記走査ユニットは、一対のガルバノミラーを含む、請求項８８に記載の装置。
  90. 前記粉末床の前記位置に対して前記走査ユニットを移動させるように動作可能なガントリを備える、請求項８６乃至８９のいずれか一項に記載の装置。
  91. 前記ガントリは、Ｘ－Ｙガントリを含む、請求項９０に記載の装置。
  92. 前記走査ユニットを前記粉末床の前記位置に近づくか、または離れるように移動させるように接続されたアクチュエータを備える、請求項８６乃至９１のいずれか一項に記載の装置。
  93. 前記コントローラは、スキャナ較正データを保存し、かつ前記スキャナ較正データを適用して、前記光ビームを前記粉末床上の特定の位置に誘導するように前記走査ユニットを制御する、請求項８６乃至９２のいずれか一項に記載の装置。
  94. 前記コントローラは、スキャナ較正動作を実行するように構成されており、前記スキャナ較正動作は、前記光ビームを前記粉末床上のいくつかの基準位置に方向付けるように前記走査ユニットを制御すること、前記粉末床上の前記光ビームの実際の位置を決定すること、前記実際の位置を前記基準位置の座標と比較すること、前記実際の位置と、対応する前記基準位置の座標との間の差に基づいて前記スキャナ較正データを生成することを含む、請求項９３に記載の装置。
  95. 前記スキャナ較正データは、補間テーブルおよび／またはＮｕｒｂｓ関数を含む、請求項９３または９４に記載の装置。
  96. 前記スキャナ較正データは、角度依存位置補正を適用するように構成された位相パターン成分を含む、請求項９３乃至９５のいずれか一項に記載の装置。
  97. 走査ビームは、前記光路内の１つまたは複数のレンズによって走査スポットに合焦される、請求項８６乃至９６のいずれか一項に記載の装置。
  98. 前記コントローラは、前記走査ユニットを制御して、前記粉末床の前記位置を横切って前記走査スポットを走査し、かつ前記走査スポットが走査される方向の変化、前記走査スポットが走査されている速度の変化、部品のフィーチャに対する前記走査スポットの位置、および現在の走査線と、隣接する走査線との間の間隔の変化のうちの１つまたは複数と協調して、前記位相変調器に適用される位相パターンを変化させるように構成される、請求項９７に記載の装置。
  99. 前記コントローラは、前記走査スポット内に円対称ではない光エネルギーの分布を提供するための前記位相パターンを設定するように構成され、前記コントローラは、前記走査スポットの走査方向に対する前記光エネルギーの分布の向きを調整するために前記位相パターンを変更するように構成される、請求項９８に記載の装置。
  100. 前記コントローラは、走査ビームのサイズ、形状、およびエネルギー分布のうちの１つまたは複数を変更するために前記位相変調器に適用される前記位相パターンをリアルタイムで変更するように構成される、請求項９８または９９に記載の装置。
  101. 前記コントローラは、前記走査スポットの前記位置における隣接する走査線間のハッチ間隔に基づいて前記走査スポットのサイズを調整するように構成される、請求項９８乃至１００のいずれか一項に記載の装置。
  102. 前記コントローラは、前記粉末床の材料を固化するのに必要なエネルギー密度に基づいて前記走査スポットのサイズを調整するように構成される、請求項９８乃至１０１のいずれか一項に記載の装置。
  103. 前記コントローラは、プロセス速度要件に基づいて前記走査スポットのサイズを調整するように構成される、請求項９８乃至１０２のいずれか一項に記載の装置。
  104. 前記走査スポットは、１５０μｍ未満、または８０μｍ未満、または６０μｍ未満、または４０μｍ未満の直径を有する円内に収まる、請求項９８乃至１０３のいずれか一項に記載の装置。
  105. 前記コントローラは、
    ・走査スポットの位置が、前記粉末床の固化領域となるべき領域の端部にどれだけ近いか、
    ・走査スポットの現在位置の近傍にある製造中の部品のフィーチャがどれだけ小さいか、
    ・前記走査スポットが前記粉末床の固化されるべき領域と前記粉末床の固化されるべきでない領域との間の境界に接近しているか、
    ・走査スポットによって現在照射されているポイントに隣接する他のポイントがどれだけ最近走査されたか、
    ・前記粉末床の材料の特性と、
    ・前記走査スポットが走査されている経路の曲率半径とのうちの１つまたは複数に基づいて前記走査スポット内の光エネルギーの分布を変化させるために前記位相変調器上の前記位相パターンを調整するように構成される、請求項９８乃至１０４のいずれか一項に記載の装置。
  106. 前記コントローラは、前記粉末床内のポイントに対する温度対時間の所望のプロファイルに基づいて前記走査スポット内の光エネルギーの分布を変化させるために前記位相変調器上の前記位相パターンを調整するように構成される、請求項９８乃至１０５のいずれか一項に記載の装置。
  107. 前記コントローラは、前記走査スポット内の光エネルギーの分布を平坦化するか、または光エネルギーの分布をよりピーク状態にするように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１０６のいずれか一項に記載の装置。
  108. 前記コントローラは、前記走査スポット内の光エネルギーの分布を走査方向の一方の側により重く重み付けし、前記走査方向の他方の側により軽く重み付けするように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１０７のいずれか一項に記載の装置。
  109. 前記コントローラは、より高いエネルギー密度のリングがより低いエネルギー密度の領域を囲む「ドーナツ」形状を有するように光エネルギー分布を成形するように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１０８のいずれか一項に記載の装置。
  110. 前記コントローラは、十字（Ｘ）形状またはプラス（＋）形状を有するように光エネルギー分布を成形するように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に印加するように構成される、請求項９８乃至１０８のいずれか一項に記載の装置。
  111. 前記コントローラは、Ｖ字形状またはＨ字形状を有するようにエネルギー分布を成形するように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１１０のいずれか一項に記載の装置。
  112. 前記コントローラは、細長くなるように光エネルギー分布を成形するように機能する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１１１のいずれか一項に記載の装置。
  113. 細長化は、前記走査スポットの走査方向に平行である、請求項１１２に記載の装置。
  114. 前記コントローラは、前記走査スポットがＶ字型、Ｈ字型、Ｉ字型、またはＡ字型のエネルギー分布を有するようにする位相パターンを前記位相変調器に適用し、かつ前記エネルギー分布の対称軸が前記走査スポットの現在の走査方向と一致するように前記位相パターンを調整するように構成される、請求項９８乃至１１３のいずれか一項に記載の装置。
  115. 細長化は、前記走査スポットの走査方向に垂直である、請求項１１２に記載の装置。
  116. 細長化は、前記走査スポットの走査方向に対して鋭角である、請求項１１２に記載の装置。
  117. 前記コントローラは、複数の異なる部品フィーチャの各々に好ましいビーム形状を関連付ける保存された設定データを含み、かつ前記走査スポットの現在位置における部品フィーチャに対応する形状を有する前記走査スポットに対する光エネルギー分布を提供するように前記位相変調器を構成する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１１６のいずれか一項に記載の装置。
  118. 前記部品フィーチャは、薄壁、鋭角角部、固化領域の内部、高精度を必要とするフィーチャ、および特定の微細構造を必要とするフィーチャから選択される、請求項１１７に記載の装置。
  119. 前記コントローラは、複数の異なる材料の各々に好ましいビーム形状を関連付ける保存された設定データを含み、かつ前記走査スポットの現在位置における前記粉末床内に存在する材料に対応する形状を有する前記走査スポットに対する光エネルギー分布を提供するように前記位相変調器を構成する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するように構成される、請求項９８乃至１１８のいずれか一項に記載の装置。
  120. 前記コントローラは、異なる走査線に沿って存在するフィーチャ、材料、および／または微細構造を識別するために製造中の部品の層のパターンを処理し、前記異なるフィーチャに対応する各走査線の部品に使用するビーム形状および／または他のビームパラメータのシーケンスを設定し、前記ビーム形状のシーケンスを提供するために、前記走査スポットの光エネルギー分布を成形する位相パターンを提供するように前記位相変調器を構成することによって、前記走査スポットが前記走査線に沿って走査されるときにビームをリアルタイムで制御するように構成される、請求項１０６乃至１１９のいずれか一項に記載の装置。
  121. 前記コントローラは、前記走査スポットの現在位置における部品のフィーチャのサイズに基づいて前記走査スポットの幅を変化させるように構成される、請求項９８乃至１２０のいずれか一項に記載の装置。
  122. 前記コントローラは、現在の層に対するパターンを処理して、前記現在の層内の位置に応じたスポットサイズのマップを提供し、かつ前記走査スポットが前記粉末床上で走査されて前記現在の層を形成する際に、前記走査スポットのサイズをリアルタイムで変化させるために前記位相変調器を制御するように構成される、請求項１２１に記載の装置。
  123. 前記コントローラは、前記粉末床の現在の層のどの領域が固化されるべきかを示す層データを処理し、かつ前記層データから、前記粉末床の前記位置上に走査スポットを走査するための経路を決定するように構成される、請求項８６乃至１２２のいずれか一項に記載の装置。
  124. 前記コントローラは、前記層データを処理して、ビームを走査するための前記経路に沿った異なるポイントに対するパラメータを決定するように構成される、請求項１２３に記載の装置。
  125. パラメータは、ビーム強度、ビームスポットサイズ、ビーム出力密度プロファイル、ビーム形状、動的ビーム成分の挙動、および走査方向に対するビームプロファイルの向きのうちの１つまたは複数を含む、請求項１２３に記載の装置。
  126. 前記粉末床の１つまたは複数の材料の各々に対する１つまたは複数のプロセスウィンドウを定義するプロセスウィンドウデータを含むデータストアを備え、前記プロセスウィンドウデータは、複数のプロセスビームパラメータに対する範囲を指定しており、前記コントローラは、前記プロセスビームパラメータを前記プロセスウィンドウのうちの１つ内に設定するように構成される、請求項９８乃至１２５のいずれか一項に記載の装置。
  127. 前記プロセスビームパラメータは、ビームエネルギー密度、ビーム走査速度、および粉末床の温度を含む、請求項１２６に記載の装置。
  128. 前記プロセスウィンドウデータは、固化されたときの特定の材料の異なる特性にそれぞれ対応する、前記特定の材料に対する複数のプロセスウィンドウを含む、請求項１２６または１２７に記載の装置。
  129. 前記コントローラは、１つまたは複数のフィードバック信号に基づくフィードバック制御によって位相パターンを制御するように構成される、請求項９８乃至１２８のいずれか一項に記載の装置。
  130. 前記装置は、赤外線カメラまたは熱撮像装置を含み、前記フィードバック信号は、前記熱撮像装置または前記赤外線カメラからのデータを含む、請求項１２９に記載の装置。
  131. 前記装置は、前記粉末床の位置を撮像するように配置されたカメラを含み、前記フィードバック信号は、前記カメラによって取得された前記粉末床の画像を含む、請求項１２９または１３０に記載の装置。
  132. 前記粉末床の周囲の温度を感知するように配置された１つまたは複数の温度センサを備え、前記フィードバック信号は、前記１つまたは複数の温度センサからの出力信号を含んでいる、請求項１２９乃至１３１のいずれか一項に記載の装置。
  133. プロセス光を監視するように構成された光検出器を備え、前記フィードバック信号は、プロセス光検出器の出力信号を含んでいる、請求項１２９乃至１３１のいずれか一項に記載の装置。
  134. 前記フィードバック信号は、前記プロセス光の強度および波長スペクトルの一方または両方を示す信号を含んでいる、請求項１３３に記載の装置。
  135. 音響センサまたは振動センサを備え、前記フィードバック信号は、前記音響センサまたは前記振動センサからの出力信号を含んでいる、請求項１２９乃至１３４のいずれか一項に記載の装置。
  136. 前記コントローラは、前記粉末床の前の層の特性に基づいてフィードバックを生成するように構成される、請求項１２９乃至１３５のいずれか一項に記載の装置。
  137. 前記コントローラは、単方向、双方向または「ジグザグ」であるか、アイランドパターンを含むか、または除外パターンを含む走査パターンで走査スポットを走査するように前記走査ユニットを動作させるように構成される、請求項８６乃至１３６のいずれか一項に記載の装置。
  138. 前記コントローラは、前記走査パターンのハッチ間隔を変更するように構成される、請求項１３７に記載の装置。
  139. 前記コントローラは、前記走査パターンに従って走査スポットを走査すること協調して、前記位相変調器に位相パターンを適用するように構成される、請求項１３７または１３８に記載の装置。
  140. 走査が単方向走査であるとき、前記コントローラは、前記走査ユニットが次の走査線の開始に対して再位置決めしている間に、前記粉末床に予熱を加えるために、走査光スポットをデフォーカスするように構成される、請求項１３９に記載の装置。
  141. 前記コントローラが、前記走査パターンのハッチ間隔に基づいて前記走査光スポットの幅を成形するように構成されている、請求項１４０に記載の装置。
  142. 前記コントローラは、走査速度に応答して走査方向に沿った走査光スポットの長さを調整するように構成される、請求項１３９に記載の装置。
  143. 前記コントローラは、走査速度が増加するときに前記走査光スポットをより長くし、走査速度が減少するときに前記走査方向における前記走査光スポットの長さを減少させるように前記位相変調器の前記位相パターンを調整するように構成される、請求項１４２に記載の装置。
  144. 前記コントローラは、走査光スポットが除外パターン内の除外領域の内側および／またはアイランドパターン内のアイランドの外側にあるときに、前記走査光スポットをデフォーカスするように構成される、請求項１３９に記載の装置。
  145. 前記コントローラは、前記粉末床の層が欠陥を有する前記粉末床の一部における走査パターンを変更するように構成される、請求項１乃至１４４のいずれか一項に記載の装置。
  146. 前記コントローラは、前記位相変調器によって誘導される光場内の光エネルギーの分布を測定し、光エネルギーの測定された分布と光エネルギーの所望の分布との間の差を補償するように前記位相変調器を制御するために印加される制御信号を調整することによって、前記位相変調器の誘導効率における変化を補償するように構成される、請求項１乃至１４５のいずれか一項に記載の装置。
  147. 前記コントローラは、フィードバックループにおいて連続的に誘導効率における変化を補償するように構成される、請求項１４６に記載の装置。
  148. 前記コントローラは、フィードフォワード制御によって誘導効率における変化を補償するように構成される、請求項１４６に記載の装置。
  149. 前記コントローラは、光をビームダンプに再方向付けするように前記位相変調器を選択的に制御するように構成される、請求項１乃至１４８のいずれか一項に記載の装置。
  150. 位相パターンは、複数の位相パターン成分を含み、前記コントローラは、前記複数の位相パターン成分を合成し、合成された位相パターン成分を前記位相変調器に適用するように構成される、請求項１乃至１４９のいずれか一項に記載の装置。
  151. 前記コントローラは、前記位相パターン成分のピクセル値をモジュロ２πで加算することによって前記複数の位相パターン成分を合成するように構成される、請求項１５０に記載の装置。
  152. 前記複数の位相パターン成分は、所望のエネルギー密度のパターンを提供するように光を分配する成分と、前記粉末床の前記位置において光を選択的に合焦またはデフォーカスする成分と、前記位相変調器に入射する光ビームの理想からの変動または偏差を補償する成分と、前記位相変調器の性能の変動および／または欠陥を補償する成分と、スキャナの幾何学的な構造を補償する成分とのうちの１つまたは複数を含む、請求項１５０に記載の装置。
  153. 前記コントローラは、可変焦点距離レンズとして機能するレンズ部品を提供するように前記位相変調器を制御するように構成される、請求項１乃至１５２のいずれか一項に記載の装置。
  154. 前記コントローラは、前記レンズ部品の焦点距離をオンザフライで変更するように位相パターンを変化させることによって、前記光ビームを選択的に合焦またはデフォーカスするように前記位相パターンを調整するように構成されている、請求項１５３に記載の装置。
  155. 前記コントローラは、フラットフィールドレンズまたはｆ－θレンズをシミュレートする動的に変化する位相パターン成分を用いて前記位相変調器を制御するように構成される、請求項１乃至１５４のいずれか一項に記載の装置。
  156. 前記コントローラは、走査角度の異なる範囲にそれぞれ対応する複数の事前に算出された位相成分を保存し、かつ１つまたは複数の現在の走査角度を示す信号を監視して、前記位相変調器によって提供される位相パターンが現在の走査角度に対応する位相成分を含むように前記位相変調器を制御するように構成される、請求項１５５に記載の装置。
  157. 前記コントローラは、前記位相変調器と前記粉末床の前記位置との間の前記光路内にある光学部品によって引き起こされる幾何学な的歪みを補償する位相パターンを適用することによって前記位相変調器を制御するように構成される、請求項１乃至１５６のいずれか一項に記載の装置。
  158. 前記コントローラは、走査ユニットの１つまたは複数の走査角度に基づいて所望のビーム形状および／またはエネルギー密度分布を設定するように前記位相変調器を構成することによって、前記幾何学的な歪みを補正するように構成される、請求項１５７に記載の装置。
  159. 前記所望のビーム形状および／またはエネルギー分布は、前記走査ユニットの幾何学的な構造から生じる位置誤差および幾何学的な歪みを低減するように予歪される、請求項１５８に記載の装置。
  160. 前記光路内にあるビームサンプラを備え、前記ビームサンプラは、ビームの一部を２Ｄカメラセンサ上にサンプリングするように動作可能である、請求項１乃至１５９のいずれか一項に記載の装置。
  161. 前記コントローラは、２Ｄカメラによって捕捉された画像を目標エネルギー分布と比較して、ビーム内のエネルギー分布の誤差を特定するように構成される、請求項１６０に記載の装置。
  162. 前記コントローラが、ビーム内の前記エネルギー分布と前記目標エネルギー分布との間の差を示す誤差画像を生成し、前記誤差を補償するために前記位相変調器の駆動信号を調整するように動作するフィードバックコントローラに前記誤差画像を提供するように構成される、請求項１６１に記載の装置。
  163. 前記位相変調器の上流の位置で前記位相変調器に入射するビームの一部を監視するように配置されたプロセスセンサ素子を備える、請求項１乃至１６２のいずれか一項に記載の装置。
  164. 前記コントローラは、前記位相変調器に入射するビームにおける変化を補償するために前記位相変調器への制御信号を自動的に調整するフィードバックコントローラを実施するように構成される、請求項１６３に記載の装置。
  165. 前記位相変調器によって反射された光のレベルを示す出力信号を有する変調器センサを備え、前記コントローラは、前記変調器センサの前記出力信号に基づいて前記光源のパワー出力を制御するように構成される、請求項１乃至１６４のいずれか一項に記載の装置。
  166. 前記変調器センサは、軸上カメラを含む、請求項１６５に記載の装置。
  167. 前記変調器センサは、軸外カメラを含む、請求項１６５に記載の装置。
  168. アディティブマニュファクチャリングのための装置であって、
    粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、
    前記粉末床を選択的に固化するためのシステムであって、
    ２つ以上の走査ユニットであって、前記２つ以上の走査ユニットの各々は、前記粉末床内の全ての領域または選択された領域をカバーするフィールドにわたって少なくとも１つのビームを走査するように動作可能である、前記２つ以上の走査ユニットを含む前記システムと、を備える装置。
  169. 前記２つ以上の走査ユニットのうちの異なる走査ユニットの前記フィールドによってカバーされる前記粉末床の領域は、同じであるか、異なるか、または異なりかつ重複している、請求項１６８に記載の装置。
  170. アディティブマニュファクチャリングのための装置であって、
    粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、
    前記粉末床を選択的に固化するためのシステムであって、
    １つまたは複数の露光ユニットおよび１つまたは複数の走査ユニットであって、各々が前記粉末床の領域上に光を方向付けるように動作可能である前記１つまたは複数の露光ユニットおよび前記１つまたは複数の走査ユニットを含む前記システムと、を備える装置。
  171. 前記１つまたは複数の露光ユニットは、走査ユニットとして再構成可能な露光ユニットを含んでいる、請求項１７０に記載の装置。
  172. 前記１つまたは複数の露光ユニットの少なくとも１つは、赤外スペクトルの光を放射するように動作可能であり、前記１つまたは複数の走査ユニットの少なくとも１つは、前記赤外スペクトルの光の波長よりも短い波長を有する光を放射するように動作可能である、請求項１７０または１７１に記載の装置。
  173. 前記少なくとも１つの露光ユニットは、１０００ｎｍ程度の波長を有する光を放射するように動作可能である、請求項１７２に記載の装置。
  174. 前記１つまたは複数の走査ユニットのうちの少なくとも１つは、可視光を放射するように動作可能である、請求項１７２または１７３に記載の装置。
  175. 前記可視光は、緑色光である、請求項１７４に記載の装置。
  176. 前記１つまたは複数の露光ユニットのうちの少なくとも１つと、前記１つまたは複数の走査ユニットのうちの少なくとも１つは、レーザ光源を共有している、請求項１７０乃至１７５のいずれか一項に記載の装置。
  177. 前記１つまたは複数の露光ユニットのうちの少なくとも１つおよび前記１つまたは複数の走査ユニットのうちの少なくとも１つは、位相変調器を含んで該位相変調器までの全ての光学系を共有している、請求項１７６に記載の装置。
  178. 前記１つまたは複数の露光ユニットおよび前記１つまたは複数の走査ユニットを制御するように構成されたコントローラを備える、請求項１７０乃至１７７のいずれか一項に記載の装置。
  179. 前記コントローラは、前記粉末床の現在の層のより大きな連続領域を固化し、前記１つまたは複数の走査ユニットを制御して、前記粉末床の前記現在の層のパターンがより微細な詳細を指定する前記粉末床の前記現在の層の領域を固化するように前記１つまたは複数の露光ユニットを制御するように構成される、請求項１７８に記載の装置。
  180. 前記コントローラは、前記１つまたは複数の露光ユニットおよび前記１つまたは複数の走査ユニットを同時に作動させるように構成される、請求項１７９に記載の装置。
  181. 前記コントローラは、前記１つまたは複数の露光ユニットおよび前記１つまたは複数の走査ユニットを別々の時間に作動させるように構成される、請求項１８０に記載の装置。
  182. コントローラは、前記１つまたは複数の露光ユニットの動作によって固化された領域内の欠陥に関するフィードバックに応答して、層内の領域を再溶融および／または固化することによって前記欠陥を修復するように構成される、請求項１７０乃至１８１のいずれか一項に記載の装置。
  183. 前記コントローラは、前記粉末床の画像を処理することによって前記欠陥を識別するように構成される、請求項１８２に記載の装置。
  184. 前記画像は、前記粉末床から反射されたレーザ光の波長、前記粉末床から放射された光の波長、前記粉末床を照明する他の光の波長のうちの１つまたは任意の組み合わせに対応している、請求項１８３に記載の装置。
  185. 前記コントローラは、欠陥の位置を特定するか、または欠陥の位置を特定して分類するように訓練された畳み込みニューラルネットワークを含む、請求項１８３または１８４に記載の装置。
  186. コントローラは、誘導光の二次元パターンを前記粉末床に方向付けるように前記１つまたは複数の露光ユニットを制御し、監視された温度が不所望に低い前記粉末床の領域における前記粉末床の温度を上昇させるように前記１つまたは複数の走査ユニットを制御するように構成される、請求項１７０乃至１８５のいずれか一項に記載の装置。
  187. アディティブマニュファクチャリングのための装置であって、
    粉末床を支持するように構成されたプラットフォームと、
    前記粉末床を選択的に固化するためのシステムであって、
    前記粉末床内の全ての領域または対応する領域を露光するように各々が動作可能な２つ以上の露光ユニットを含む前記システムと、を備える装置。
  188. 前記２つ以上の露光ユニットのうちの異なる露光ユニットによって照明される前記粉末床の領域は、同じであるか、異なるか、または異なりかつ重複している、請求項１８７に記載の装置。
  189. １つまたは複数のレーザ光源と、コントローラとを備え、前記コントローラは、１つまたは複数のレーザによって前記粉末床に送達される光パワーを、
    ・光をデフォーカスすること、
    ・位相変調器に適用される位相パターンを変更して、レーザ光を光ダンプに再方向付けすること、
    ・可変ビームスプリッタ（例えば、偏光ビームスプリッタ）を調整して光の一部を除去すること、
    ・レーザからのビームの経路内のシャッタを閉鎖すること、
    ・レーザからのビームの経路に光減衰器を挿入することによって管理するように構成される、請求項１６５乃至１８８のいずれか一項に記載の装置。
  190. 前記コントローラは、走査線を切り替えるとき、前記粉末床の固化されるべき領域から前記粉末床の固化されるべきでない領域への境界を横断した後、または前記粉末床の固化されるべきでない領域を横断して走査するとき、少なくとも１つのレーザから前記粉末床に送達される前記光パワーを走査ユニットによって低減させるように構成される、請求項１８９に記載の装置。
  191. コンピュータ実行可能命令を担持するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ実行可能命令は、請求項１乃至１９０のいずれか一項に記載の装置のコントローラのデータプロセッサによる実行時に、前記データプロセッサに、本明細書に記載の装置を制御させる、コンピュータプログラム製品。
  192. 本明細書で説明されるような任意の新規かつ発明的特徴、特徴の組み合わせ、または特徴の部分的組み合わせを有する装置。
  193. アディティブマニュファクチャリングの方法であって、
    ・光源からの光を、位相変調器を含む光路上の粉末床の位置に案内するステップと、
    ・前記位相変調器を制御して、光に位相シフトの２Ｄパターンを適用するステップであって、前記位相シフトは、前記粉末床上に所望の光パワー分布を生じさせるように前記粉末床上に光を誘導する、光に位相シフトの２Ｄパターンを適用するステップと、
    ・前記光パワー分布が前記粉末床の最上層の領域を選択的に固化するステップと、を含む方法。
  194. 前記光パワー分布は、少なくとも９０ｃｍ２の領域をカバーする、請求項１９３に記載の方法。
  195. 前記光パワー分布は、前記粉末床の領域の少なくとも１０％をカバーする、請求項１９３に記載の方法。
  196. 前記光パワー分布は、前記粉末床の領域の少なくとも２０％をカバーする、請求項１９３に記載の方法。
  197. 前記光パワー分布は、前記粉末床の上面をカバーする、請求項１９３に記載の方法。
  198. 前記粉末床に複数の層を順次追加し、前記複数の層の各々の一部を選択的に固化させて部品を形成するステップを含む、請求項１９３乃至１９７のいずれか一項に記載の方法。
  199. 前記複数の層の各々に対するパターンを提供し、位相パターンに少なくとも部分的に基づいて前記位相変調器に対する位相パターンを決定するステップを含む、請求項１９８に記載の方法。
  200. 前記光路が、前記位相変調器と前記粉末床の前記位置との間にある振幅変調器を含んでおり、前記方法が、前記光パワー分布を精緻化するように前記振幅変調器を制御するステップを含む、請求項１９３乃至１９９のいずれか一項に記載の方法。
  201. 前記光パワー分布を精緻化することは、
    ・エッジを直線状にすること、
    ・高強度アーチファクトを除去することのうちの１つまたは複数を含む、請求項２００に記載の方法。
  202. 前記粉末床を加熱するステップを含む、請求項１９３乃至２０１のいずれか一項に記載の方法。
  203. 前記粉末床を加熱するステップは、前記粉末床上に非誘導光を方向付けることを含む、請求項２０２に記載の方法。
  204. 前記位相変調器から前記非誘導光を収集するステップを含む、請求項２０３に記載の方法。
  205. 非誘導光を提供するために追加的な光源を動作させるステップを含む、請求項２０２乃至２０４のいずれか一項に記載の方法。
  206. 前記光路から光を迂回させて非誘導光を提供するステップを含む、請求項２０２乃至２０５のいずれか一項に記載の方法。
  207. 前記粉末床を加熱するステップは、光パワー密度をデフォーカスする位相シフトのパターンを前記位相変調器に適用することを含む、請求項２０２乃至２０６のいずれか一項に記載の方法。
  208. 前記粉末床の材料が固化する前に熱を印加するステップを含む、請求項２０２乃至２０７のいずれか一項に記載の方法。
  209. 前記粉末床の材料が固化した後に熱を印加するステップを含む、請求項２０２乃至２０８のいずれか一項に記載の方法。
  210. 前記粉末床の前記最上層の前記領域を固化した後に、前記粉末床を冷却するステップを含む、請求項１９３乃至２０９のいずれか一項に記載の方法。
  211. 前記粉末床を冷却するステップは、前記粉末床の表面の１つまたは複数の領域または全体に冷却ガスを適用することを含む、請求項２１０に記載の方法。
  212. 前記位相変調器の活性領域のサイズおよび形状に一致またはほぼ一致するように、前記位相変調器に入射する光を成形するステップを含む、請求項１９３乃至２１１のいずれか一項に記載の方法。
  213. 前記光パワー分布を適用して、前記粉末床の領域内の材料を選択的に溶融するステップを含む、請求項１９３乃至２１２のいずれか一項に記載の方法。
  214. 前記光パワー分布を適用して、前記粉末床の領域内の材料を選択的に焼結するステップを含む、請求項１９３乃至２１３のいずれか一項に記載の方法。
  215. 前記光路が光スキャナを含んでおり、前記方法が、前記光スキャナを動作させて、前記粉末床の前記位置上に前記光パワー分布を移動させるステップを含む、請求項１９３乃至２１４のいずれか一項に記載の方法。
  216. 光エネルギー分布が移動されているときに、前記位相変調器によって適用される位相シフトのパターンを変更するステップを含む、請求項２１５に記載の方法。
  217. 前記光パワー分布の走査の方向の変化に応答して位相パターンを変化させるステップを含む、請求項２１６に記載の方法。
  218. 前記粉末床の前記位置を横切って光パワー密度を走査し、走査スポットが走査される方向の変化、前記走査スポットが走査されている速度の変化、部品のフィーチャに対する前記走査スポットの位置、および現在の走査線と、隣接する走査線との間の間隔の変化のうちの１つまたは複数と協調して、前記位相変調器に適用される位相シフトのパターンを変更するステップを含む、請求項２１５乃至２１７のいずれか一項に記載の方法。
  219. 前記位相変調器に適用される位相シフトのパターンをリアルタイムで変化させて、光パワー密度のサイズ、形状、およびエネルギー分布のうちの１つまたは複数を変更するステップを含む、請求項２１５乃至２１８のいずれか一項に記載の方法。
  220. 走査ユニットを制御するための保存されたスキャナ較正データを適用して、光を前記粉末床上の特定の位置に誘導するステップを含む、請求項２１５乃至２１９のいずれか一項に記載の方法。
  221. 前記走査ユニットを制御して前記粉末床上のいくつかの基準位置に光を方向付けること、前記粉末床上の光の実際の位置を決定すること、前記実際の位置を前記基準位置の座標と比較すること、前記実際の位置と、対応する前記基準位置の座標との間の差に基づいて前記スキャナ較正データを生成することを含むスキャナ較正動作を実行するステップを含む、請求項２２０に記載の方法。
  222. 前記スキャナ較正データは、補間テーブルおよび／またはＮｕｒｂｓ関数を含む、請求項２２０または２２１に記載の方法。
  223. 前記スキャナ較正データは、角度依存位置補正を適用するように構成された位相パターン成分を含む、請求項２２０乃至２２２のいずれか一項に記載の方法。
  224. 前記光路が１つまたは複数の合焦要素を含んでおり、前記方法が、前記光パワー分布を合焦させて、前記粉末床上に走査スポットを提供するステップを含む、請求項２１５乃至２１９のいずれか一項に記載の方法。
  225. 前記走査スポットは、１５０μｍ未満、または８０μｍ未満、または６０μｍ未満、または４０μｍ未満の直径を有する円内に収まる、請求項２２４に記載の方法。
  226. 前記位相変調器に適用される位相シフトのパターンを設定して、前記走査スポット内に円対称ではない光エネルギーの分布を提供するステップと、前記位相変調器に適用される前記位相シフトのパターンを変更して、前記走査スポットの走査方向に対する前記光パワー分布の向きを調整するステップを含む、請求項２２４乃至２２５のいずれか一項に記載の方法。
  227. 前記走査スポットの前記位置における隣接する走査線間のハッチ間隔に基づいて、前記走査スポットのサイズを調整するステップを含む、請求項２２４乃至２２６のいずれか一項に記載の方法。
  228. 前記粉末床の材料を固化するのに必要なエネルギー密度に基づいて、前記走査スポットのサイズを調整するステップを含む、請求項２２４乃至２２７のいずれか一項に記載の方法。
  229. プロセス速度要件に基づいて前記走査スポットのサイズを調整するステップを含む、請求項２２４乃至２２７のいずれか一項に記載の方法。
  230. 前記粉末床の現在の層のどの領域を固化するかを示す層データを処理して、前記走査スポットを走査するための経路を決定するステップを含む、請求項２２４乃至２２９のいずれか一項に記載の方法。
  231. 前記位相変調器に適用される前記位相シフトのパターンを調整することによって、
    前記光パワー分布の強度、
    前記走査スポットのサイズ、
    前記光パワー分布のプロファイル、および
    前記光パワー分布の形状のうちの１つまたは複数を制御するステップを含む、請求項２２４乃至２３０のいずれか一項に記載の方法。
  232. 前記光パワー分布を合焦させて、前記走査スポットを提供するステップが、合焦位相成分を前記位相変調器に適用することを含む、請求項２２４乃至２３１のいずれか一項に記載の方法。
  233. 前記走査スポット内の前記光パワー分布が十字（Ｘ）形状またはプラス（＋）形状を有するように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３２のいずれか一項に記載の方法。
  234. 前記走査スポットにおける前記光パワー分布がＶ字形状またはＨ字形状を有するように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３２のいずれか一項に記載の方法。
  235. 前記走査スポットにおける前記光パワー分布がドーナツ形状を有するように、前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３２のいずれか一項に記載の方法。
  236. 前記走査スポットが選択された方向に細長くなるように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３２のいずれか一項に記載の方法。
  237. 光パワー密度の向きを前記走査スポットの走査方向に対して所望の向きになるように調整するように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３２のいずれか一項に記載の方法。
  238. 前記粉末床上の前記走査スポットの位置に応じて前記走査スポットを合焦およびデフォーカスするように前記位相シフトのパターンを選択的に設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３７のいずれか一項に記載の方法。
  239. 前記走査スポットが走査されている走査線の一方の側に光パワー密度を集中させるように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含む、請求項２２４乃至２３７のいずれか一項に記載の方法。
  240. 前記光パワー分布が円対称ではなく、対称軸を有するように前記位相シフトのパターンを設定するステップを含み、前記方法が、前記走査スポットの走査方向と一致するように前記対称軸を配向するステップを含む、請求項２２４乃至２３９のいずれか一項に記載の方法。
  241. 前記走査スポットが前記粉末床を横断して走査されるときに光パワー密度をより均一にするか、またはよりピーク状態にするように前記位相シフトのパターンを動的に調整するステップを含む、請求項２２４乃至２４０のいずれか一項に記載の方法。
  242. 前記走査スポットをデフォーカスし、デフォーカスされたスポットを前記粉末床の領域の内側部分上を走査することによって、前記粉末床内の領域の内側部分を固化するステップを含む、請求項２２４乃至２４０のいずれか一項に記載の方法。
  243. デフォーカスされたスポットを前記粉末床の領域の内側部分上を走査しながら、前記光源の出力光パワーを増加させるステップを含む、請求項２２４に記載の方法。
  244. 光が前記粉末床の前記位置に入射する角度の変化から生じる幾何学的な歪みを補償する位相成分を前記位相シフトのパターンに含ませるステップを含む、請求項２１５乃至２４３のいずれか一項に記載の方法。
  245. 製造される部品のコンピュータモデルを処理して、複数のパターンを提供するステップであって、前記複数のパターンの各々は、前記粉末床の層に対応しており、かつ前記粉末床の層内の固化されるべき領域を示している、前記複数のパターンを提供するステップと、
    前記複数のパターンの各々を処理して、前記領域の複数のフィーチャを識別し、複数の走査線を含むとともに、前記複数の走査線に沿った識別された複数のフィーチャの位置を決定する前記層の走査パターンを生成するステップと、
    前記複数のフィーチャの各々に対応する位相シフトのパターンを決定するステップと、
    前記複数の走査線に沿った前記複数のフィーチャに対応する位相シフトの複数のパターンを提供するように前記位相変調器を動的に設定しながら、前記粉末床の現在の層に対する前記複数の走査線に沿って走査スポットを走査するステップと、を含む、請求項２２４乃至２４４のいずれか一項に記載の方法。
  246. 部品フィーチャは、薄壁、鋭角角部、固化領域の内部、高精度を必要とするフィーチャ、および特定の微細構造を必要とするフィーチャから選択されたフィーチャを含む、請求項２４５に記載の方法。
  247. 複数の層に対する前記複数のパターンを処理して、異なる走査線に沿って存在する材料および／または微細構造を識別するステップと、前記異なるフィーチャに対応する各走査線の一部に使用するビーム形状および／または他のビームパラメータのシーケンスを設定するステップと、走査スポットが前記走査線に沿って走査されるときに前記位相変調器をリアルタイムで制御して、前記ビーム形状のシーケンスを提供するために、前記走査スポットの光エネルギー分布を成形する位相パターンを提供するステップとを含む、請求項２４５乃至２４６のいずれか一項に記載の方法。
  248. 走査スポットの現在位置における部品のフィーチャのサイズに基づいて前記走査スポットの幅を変化させるステップを含む、請求項２２４乃至２４７のいずれか一項に記載の方法。
  249. 現在の層に対するパターンを処理して、前記現在の層内の位置に応じたスポットサイズのマップを提供するステップと、前記位相変調器を制御して、前記走査スポットが前記粉末床上で走査されて前記現在の層を形成する際に、前記走査スポットのサイズをリアルタイムで変化させるステップとを含む、請求項２４８に記載の方法。
  250. 前記粉末床の前記位置を横切って走査スポットを走査するステップと、前記走査スポットが走査される方向の変化、前記走査スポットが走査されている速度の変化、部品のフィーチャに対する前記走査スポットの位置、および現在の走査線と、隣接する走査線との間の間隔の変化のうちの１つまたは複数と協調して、前記位相変調器によって適用される位相シフトのパターンを変更するステップとを含む、請求項２２４乃至２４９のいずれか一項に記載の方法。
  251. ・走査スポットの位置が、前記粉末床の固化領域となるべき領域の端部にどれだけ近いか、
    ・走査スポットの現在位置の近傍にある製造中の部品のフィーチャがどれだけ小さいか、
    ・前記走査スポットが前記粉末床の固化されるべき領域と前記粉末床の固化されるべきでない領域との間の境界に接近しているか、
    ・走査スポットによって現在照射されているポイントに隣接する他のポイントがどれだけ最近走査されたか、
    ・前記粉末床の材料の特性と、
    ・前記走査スポットが走査されている経路の曲率半径とのうちの１つまたは複数に基づいて前記位相変調器上の位相パターンを調整して、前記走査スポット内の光エネルギーの分布を変化させるステップを含む、請求項２２４乃至２５０のいずれか一項に記載の方法。
  252. 前記粉末床内のポイントに対する温度対時間の所望のプロファイルに基づいて前記位相変調器上の位相パターンを調整して、走査スポット内の光エネルギーの分布を変化させるステップを含む、請求項２２４乃至２５１のいずれか一項に記載の方法。
  253. 複数の異なる部品フィーチャの各々に好ましいビーム形状を決定するステップと、走査スポットの現在位置における部品フィーチャに対応する形状を有する前記走査スポットに対する光エネルギー分布を提供するように前記位相変調器を構成する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するステップとを含む、請求項２２４乃至２５２のいずれか一項に記載の方法。
  254. 走査スポットの現在位置における前記粉末床内に存在する材料に対応する形状を有する前記走査スポットに対する光エネルギー分布を提供するように前記位相変調器を構成する位相パターンを前記位相変調器に選択的に適用するステップを含む、請求項２２４乃至２５３のいずれか一項に記載の方法。
  255. 単方向、双方向もしくは「ジグザグ」であるか、アイランドパターンを含むか、または除外パターンを含む走査パターンで走査スポットを走査するようにスキャナを動作させるステップを含む、請求項２２４乃至２５４のいずれか一項に記載の方法。
  256. 走査パターンのハッチ間隔を変更するステップを含む、請求項２５５に記載の方法。
  257. 前記走査が単方向走査であるとき、走査ユニットが次の走査線の開始に対して再位置決めしている間に、走査光スポットをデフォーカスして、前記粉末床に予熱を加えることを含む、請求項２５５乃至２５６のいずれか一項に記載の方法。
  258. 走査パターンのハッチ間隔に基づいて走査光スポットの幅を設定するステップを含む、請求項２２４乃至２５７のいずれか一項に記載の方法。
  259. 走査速度に少なくとも部分的に基づいて走査方向に沿った走査スポットの長さを調整するステップを含む、請求項２２４乃至２５８のいずれか一項に記載の方法。
  260. 前記位相変調器の位相シフトのパターンを調整して、走査速度が増加するときに走査光スポットをより長くし、走査速度が減少するときに走査方向における前記走査光スポットの長さを減少させるステップを含む、請求項２２４乃至２５９のいずれか一項に記載の方法。
  261. 走査光スポットが除外パターン内の除外領域の内側および／またはアイランドパターン内のアイランドの外側にあるときに、前記走査光スポットをデフォーカスするステップを含む、請求項２２４乃至２６０のいずれか一項に記載の方法。
  262. 前記位相変調器によって適用されている適用位相シフトを監視するステップと、前記位相変調器への制御入力を調整して、前記適用位相シフトを所望の位相シフトに一致させるステップとを含む、請求項１９３乃至２６１のいずれか一項に記載の方法。
  263. 前記位相変調器に入射する光の分布を監視するステップと、前記位相変調器に位相成分を適用して、前記位相変調器に入射する光の分布の変化を補償するステップとを含む、請求項１９３乃至２６２のいずれか一項に記載の方法。
  264. 前記位相変調器を制御して前記位相変調器に入射する一部の光をビームダンプに再方向付けすることによって、光パワー密度のパワーを選択的に低減するステップを含む、請求項１９３乃至２６３のいずれか一項に記載の方法。
  265. 前記位相変調器に入射する一部の光を、走査方向を反転させながら前記ビームダンプに再方向付けるステップを含む、請求項２６４に記載の方法。
  266. 前記粉末床の固化されるべき領域から前記粉末床の固化されるべきでない領域への走査スポットの走査と協調して、前記位相変調器に入射する一部の光を前記ビームダンプに再方向付けるステップを含む、請求項２６４に記載の方法。
  267. 前記位相シフトのパターンの位相成分を動的に変化させて、前記光路内の走査成分によって引き起こされる幾何学的な歪みを補償するステップを含む、請求項１９４乃至２６６のいずれか一項に記載の方法。
  268. 前記位相シフトのパターンは、１つまたは複数のパラメータ化された位相シフト成分を含んでおり、前記方法が、前記パラメータ化された位相シフト成分の１つまたは複数のパラメータを調整して、前記光パワー分布を変更するステップを含む、請求項１９３乃至２６７のいずれか一項に記載の方法。
  269. 前記パラメータ化された位相シフト成分は、パラメータ化されたレンズを含む、請求項２６８に記載の方法。
  270. 前記パラメータ化されたレンズは、ｆ－θレンズを含む、請求項２６９に記載の方法。
  271. 前記パラメータが焦点距離パラメータを含んでおり、前記方法が、走査スポットが前記粉末床上を移動するときに前記焦点距離パラメータを動的に変化させるステップを含む、請求項２６９または２７０に記載の方法。
  272. 前記粉末床上の光パワー密度をオートフォーカスするステップを含み、オートフォーカスが、前記粉末床の前記位置における光のパターンの画像に基づいて、前記位相変調器に適用される位相パターンのオートフォーカス成分を反復的に調整することを含む、請求項１９３乃至２７１のいずれか一項に記載の方法。
  273. 前記粉末床上の光のスポットのサイズを監視するステップを含む、請求項２７２に記載の方法。
  274. 光のスポットのサイズが基準を満たすまで、反復プロセスを繰り返すステップを含む、請求項２７２または２７３に記載の方法。
  275. 前記基準は、光のスポットが閾値直径未満の直径を有していること、光のスポットのサイズが最小化されていることのうちの１つまたは複数を含む、請求項２７４に記載の方法。
  276. 前記位相パターンの前記オートフォーカス成分は、パラメータ化されたレンズモデルであり、前記方法は、前記レンズモデルのパラメータ空間において最適化を実行するステップを含む、請求項２７２乃至２７５のいずれか一項に記載の方法。
  277. 装置の構成要素の異なる温度および／または異なる光パワーレベルに対する熱レンズ効果を補償するための補正位相パターンを確立するステップと、１つまたは複数の測定された構成要素の温度および／または現在の光パワーレベルに基づいて前記補正位相パターンを前記位相変調器に適用するステップとを含む、請求項２７２乃至２７６のいずれか一項に記載の方法。
  278. 前記位相変調器を制御して、前記粉末床上に光の２Ｄパターンを形成するように前記位相変調器に入射する光が誘導されるようにする位相シフトの光誘導パターンを提示するステップを含み、誘導は、前記２Ｄパターンの低強度部分を形成するために前記２Ｄパターンの特定の部分から離れるように光を誘導し、前記２Ｄパターンの高強度部分を形成するために前記２Ｄパターンの他の領域に光を集光させる、請求項１９３乃至２７７のいずれか一項に記載の方法。
  279. 前記粉末床の層のパターンに基づいて前記位相変調器を制御するステップを含み、前記パターンは、前記粉末床の層の固体化されるべき部分と前記粉末床の層の固体化されるべきでない他の部分とを示すデジタルデータを含み、前記位相変調器を制御するステップは、光が前記粉末床の層の固体化されるべき部分に集中し、前記粉末床の層の固体化されるべきでない部分から離れるように誘導されるように位相シフトの前記光誘導パターンが前記位相変調器に入射する光を誘導するように前記位相変調器を設定することを含む、請求項２７８に記載の方法。
  280. 位相シフトの前記光誘導パターンは、前記位相変調器に入射する光を、可変ウェッジ角を有するウェッジと重ね合わされた形状に集中させる位相パターンを含み、前記方法が、前記形状を前記粉末床を横切る方向に走査させるようにウェッジ角を変化させるステップを含む、請求項２７８または２７９に記載の方法。
  281. 前記形状は、円形、線、正方形、長方形、長円形、または卵形である、請求項２８０に記載の方法。
  282. 前記粉末床の領域のデフォーカス照明または均一照明を提供する第１の位相パターンと、それに続く前記粉末床の１つまたは複数の領域のフォーカス照明を提供する第２の位相パターンを適用することによって、前記位相変調器の位相シフトのパターンを動的に変化させるステップを含む、請求項２７８乃至２８１のいずれか一項に記載の方法。
  283. １つまたは複数のセンサからのフィードバックに基づくフィードバック制御によって位相シフトのパターンを制御するステップを含む、請求項１９３乃至２８２のいずれか一項に記載の方法。
  284. 前記１つまたは複数のセンサは、前記粉末床の前記位置の高解像度画像を取得するように動作するカメラを含む、請求項２８３に記載の方法。
  285. 前記１つまたは複数のセンサは、前記光路の一部を介して前記粉末床の位置を撮像するように配置されたカメラを含む、請求項２８３または２８４に記載の方法。
  286. 前記１つまたは複数のセンサからのフィードバック信号を処理して、前記粉末床の現在の層の領域が固化したことを決定するステップを含む、請求項２８３乃至２８５のいずれか一項に記載の方法。
  287. 前記フィードバック制御が、別個のフィードバックループを使用して、現在の層における前記粉末床の固化されるべき領域の温度を制御すること、前記現在の層における前記粉末床の固化されるべきでない領域の温度を制御することを含む、請求項２８３乃至２８６のいずれか一項に記載の方法。
  288. 前記センサは、赤外線カメラまたは熱撮像装置のうちの１つまたは複数を含んでおり、フィードバック信号は、前記熱撮像装置または前記赤外線カメラからのデータを含んでいる、請求項２８３乃至２８７のいずれか一項に記載の方法。
  289. 前記センサが、前記粉末床の位置を撮像するように配置されたカメラを含み、フィードバック信号は、前記カメラによって取得された前記粉末床の画像を含んでいる、請求項２８３乃至２８８のいずれか一項に記載の方法。
  290. 前記センサが、前記粉末床の周囲の温度を感知するように配置された１つまたは複数の温度センサを含んでおり、フィードバック信号は、前記１つまたは複数の温度センサからの出力信号を含んでいる、請求項２８４乃至２８９のいずれか一項に記載の方法。
  291. プロセス光を監視するように構成された光検出器を備え、フィードバック信号は、プロセス光検出器の出力信号を含んでいる、請求項２８３乃至２９０のいずれか一項に記載の方法。
  292. 前記フィードバック信号は、前記プロセス光の強度および波長スペクトルの一方または両方を示す信号を含んでいる、請求項２９１に記載の方法。
  293. 前記センサは、音響センサまたは振動センサを含んでおり、フィードバック信号は、前記音響センサまたは振動センサからの出力信号を含んでいる、請求項２８３乃至２９２のいずれか一項に記載の方法。
  294. 前記粉末床の前の層の特性に基づいてフィードバックを生成するステップを含む、請求項２８３乃至２９３のいずれか一項に記載の方法。
  295. 前記位相変調器によって誘導される光場内の光エネルギーの分布を測定し、前記位相変調器を制御するために印加される制御信号を調整して、光エネルギーの測定された分布と光エネルギーの所望の分布との間の差を補償することによって、前記位相変調器の誘導効率における変化を補償するステップを含む、請求項１９３乃至２９４のいずれか一項に記載の方法。
  296. フィードバックループにおいて連続的に誘導効率における変化を補償するステップを含む、請求項２９５に記載の方法。
  297. フィードフォワード制御によって誘導効率における変化を補償するステップを含む、請求項２９５に記載の方法。
  298. 前記位相変調器は第１の位相変調器であり、前記方法が、第１の変調器によって位相シフトされた光を第２の位相変調器によって位相シフトされた光と合成するステップと、合成された光を前記光パワー分布を生じさせるように前記粉末床上に方向付けるステップとを含む、請求項１９３乃至２９７のいずれか一項に記載の方法。
  299. 前記第１および第２の位相変調器を制御して、位相シフトの同じパターンを適用するステップを含む、請求項２９８に記載の方法。
  300. 前記光源からの光を第１および第２のビームに分割するステップと、前記第１のビームを送達して前記第１の位相変調器を照射するステップと、前記第２のビームを送達して前記第２の位相変調器を照射するステップとを含む、請求項２９８または２９９に記載の方法。
  301. 前記粉末床を撮像するステップを含む、請求項１９３乃至３００のいずれか一項に記載の方法。
  302. 前記粉末床の画像を処理して、欠陥を識別するステップを含む、請求項３０１に記載の方法。
  303. 前記粉末床の前の層における欠陥を識別することに応答して、前記粉末床の現在の層に対する走査パターンを変更するステップを含む、請求項３０１または３０２に記載の方法。
  304. 欠陥の位置にある材料をアブレーションするステップを含む、請求項３０１乃至３０３のいずれか一項に記載の方法。
  305. 光パワー密度の最大強度を増加させるステップと、前記欠陥の位置上に前記光パワー密度を位置決めするステップとを含む、請求項３０４に記載の方法。
  306. 前記粉末床の画像を処理して、フィードバック信号を提供するステップと、前記フィードバック信号に応答して位相シフトのパターンを調整するステップとを含む、請求項３０１乃至３０５のいずれか一項に記載の方法。
  307. 前記光源は、レーザを含む、請求項１９３乃至３０６のいずれか一項に記載の方法。
  308. レーザは、パルスレーザである、請求項３０６に記載の方法。
  309. 前記レーザは、連続レーザである、請求項３０７に記載の方法。
  310. レーザは、少なくとも５００ワットの出力パワーまたは少なくとも１０００ワットの出力パワーを有する、請求項３０７乃至３０９のいずれか一項に記載の方法。
  311. レーザは、５０ワット以下の出力パワーを有する、請求項３０６乃至３０８のいずれか一項に記載の方法。
  312. 前記光源は、複数のレーザを含んでおり、前記方法が、前記複数のレーザによって出力された光を合成するステップを含む、請求項３０６乃至３１１のいずれか一項に記載の方法。
  313. 前記光源は、半導体レーザの１つまたは複数のバンクを含む、請求項３０６乃至３１２のいずれか一項に記載の方法。
  314. 前記光源からの光は、複数の異なる波長を含む、請求項３０６乃至３１３のいずれか一項に記載の方法。
  315. 前記複数の異なる波長の差は、２０ｎｍ以下である、請求項３１４に記載の方法。
  316. 前記光源からの光は、偏光光である、請求項１９３乃至３１５のいずれか一項に記載の方法。
  317. 前記粉末床の１つまたは複数の材料の各々に対する１つまたは複数のプロセスウィンドウを定義するプロセスウィンドウデータを検索するステップと、前記プロセスウィンドウデータは、複数のプロセスビームパラメータに対する範囲を指定しており、前記プロセスビームパラメータを前記プロセスウィンドウのうちの１つ内に設定するステップとを含む、請求項１９３乃至３１６のいずれか一項に記載の方法。
  318. 前記プロセスビームパラメータは、ビームエネルギー密度、ビーム走査速度、および粉末床温度のうちの１つまたは複数を含む、請求項３１７に記載の方法。
  319. 前記プロセスウィンドウデータは、固化されたときの特定の材料の異なる特性にそれぞれ対応する、前記特定の材料に対する複数のプロセスウィンドウを含む、請求項３１７または３１８に記載の方法。
  320. ガントリを操作することによって１つまたは複数の光学部品を移動させることによって、前記粉末床上に光パワー密度を位置決めするステップを含む、請求項１９３乃至３１９のいずれか一項に記載の方法。
  321. 前記ガントリは、Ｘ－Ｙガントリである、請求項３２０に記載の方法。
  322. 前記位相シフトのパターンは、複数の位相パターン成分を含んでおり、前記方法が、複数の位相パターン成分を合成するステップと、合成された位相パターン成分を前記位相変調器に適用するステップとを含む、請求項１９３乃至３２１のいずれか一項に記載の方法。
  323. 前記位相パターン成分のピクセル値をモジュロ２πで加算することによって前記複数の位相パターン成分を合成するステップを含む、請求項３２２に記載の方法。
  324. 位相パターンの成分は、所望の光パワー密度のパターンを提供するように光を分配する成分と、前記粉末床の前記位置において光を選択的に合焦またはデフォーカスする成分と、前記位相変調器に入射する光ビームの理想からの変動または偏差を補償する成分と、前記位相変調器の性能の変動および／または欠陥を補償する成分と、スキャナの幾何学的な構造を補償する成分とのうちの１つまたは複数を含む、請求項３２２に記載の方法。
  325. 前記位相変調器を制御して、可変焦点距離レンズとして機能するレンズ部品を提供するステップを含む、請求項１９３乃至３２４のいずれか一項に記載の方法。
  326. 前記レンズ部品の焦点距離をオンザフライで変更するように前記レンズ部品を変化させることによって、位相シフトのパターンを調整して、光ビームを選択的に合焦またはデフォーカスするステップを含む、請求項３２５に記載の方法。
  327. 前記位相変調器の上流の位置で前記位相変調器に入射する光ビームの一部を監視するように配置されたプロセスセンサ素子からのフィードバックに基づいて、前記位相変調器への制御信号を自動的に調整するフィードバック制御を実行して、前記位相変調器に入射するビームの変化を補償するステップを含む、請求項１９３乃至３２６のいずれか一項に記載の方法。
  328. 前記位相変調器によって反射された光のレベルを検出するように動作可能な変調器センサからの出力信号に基づいて光源の光出力を制御するステップを含む、請求項１９３乃至３２７のいずれか一項に記載の方法。
  329. 前記変調器センサは、軸上カメラを含む、請求項３２８に記載の方法。
  330. 部品のアディティブマニュファクチャリングのための方法であって、
    ・前記部品を定義するコンピュータ支援設計（以下、ＣＡＤとする）データを作成するステップと、
    ・前記ＣＡＤデータを処理して層データを生成するステップであって、層は、特定の層厚を有する前記部品の単一のスライスを表しており、前記層データは、粉末床の固化されるべき対応する層内の領域を示すパターンを含んでいる、前記層データを生成するステップと、
    ・各層に対して、前記粉末床の固化されるべき前記領域に光を誘導する１つまたは複数の位相変調器に対する位相パターンを決定するステップと、
    ・前記部品の各層を作成するためのプロセスパラメータを決定するステップと
    ・前記粉末床を第１の層で初期化するステップと、前記部品が完成するまで、
    ｏ現在の層に対する位相パターンを取得して、前記位相パターンに従って露光ユニットの位相変調器を設定するステップと、
    ｏ前記露光ユニットを制御して、前記現在の層に対する層データに従って前記現在の層の固化されるべき領域を固化するように前記現在の層を十分に露光するステップと、
    ｏ前記粉末床に新たな粉末層を追加するステップと、を含む方法。
  331. 本明細書に記載される任意の新規かつ発明的なステップ、動作、ステップおよび／または動作の組み合わせ、またはステップおよび／または動作の部分的な組み合わせを含む方法。
  332. 機械可読の実行可能命令を担持するデータ記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、データプロセッサによる実行時に、請求項１９３乃至３３１のいずれか一項に記載の方法を前記データプロセッサに実行させる、コンピュータプログラム製品。
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