JP7471002B2

JP7471002B2 - 金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置

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Publication number: JP7471002B2
Application number: JP2021577882A
Authority: JP
Inventors: マシューズブライアン; ホッペルーカス; モレイラオソリオレザー
Original assignee: ディレクテッドメタルスリーディーエセエレ
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2024-04-19
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: EP3993943B1; US20210001402A1; US11219951B2; WO2021001054A1; CN113950388A; CN113950388B; IL288598A; KR20220025079A; EP3993943A1; EP4183513A1; JP2022549988A

Description

本発明は、一般に、レーザベースの付加製造（ＡＭ）、レーザクラッディング、レーザ溶接、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨法を用いるレーザベースの製造の分野に関する。レーザＡＭ、レーザクラッディング及びレーザ溶接（非自生モード）プロセスは直接金属堆積（ＤＭＤ）プロセスを使用し、このプロセスは、分散型レーザ光源を利用して加工表面上に複数のレーザビームを集光させ、この加工表面上においてレーザの焦点が金属供給材料（ワイヤ及び／又は粉末）と交差してコンピュータ制御下で基板上に金属層構造が形成される。レーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨プロセスは、分散型レーザ光源を利用して加工表面上に複数のレーザビームを集光させ、この加工表面上において（複数の）レーザの焦点が金属基板と交差して、コンピュータ制御下で加工表面の（自生）溶接、切断、テクスチャリング又は研磨を可能にする。

１９７８年にＢｒｅｉｎａｎとＫｅａｒによってｌａｙｅｒ－ｂｙ－ｌａｙｅｒレーザエネルギー源堆積法を用いる三次元金属部品の作製が初めて報告された。１９８２年には、米国特許第４，３２３，７５６号がＢｒｏｗｎらに付与され、当該特許明細書において、バルク急冷凝固金属粒子であるバルクの製造方法を、特にディスク及びナイフエッジエアシールを含む特定のガスタービンエンジン部品の製造に適用したことが記載されている。このような三次元レーザ支援金属堆積プロセスは、直接金属堆積（ＤＭＤ）と呼ばれる付加製造（ＡＭ）の分野を含む。

近年、世界中の様々なグループが金属部品の製造のための様々なタイプの積層造形技術に取り組んでいる。

最近の革新には、レーザを多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械に組み込んでＤＭＤノズルを介して金属供給材料上にビームを集光させて三次元部品を製造することが含まれる。コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）及びコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアがＤＭＤプロセスと統合されてノズルが駆動されることで精密な三次元部品レンダリングが製造される。以前のアプローチでは、用いられるノズルの中心を通ってレーザビームが入射し、金属供給材料が同軸又は側方供給機構を介してノズルを通って投入される。２０１０年に米国特許第７，７６５，０２２号明細書においてダイオードレーザ光源を用いてこの構成を利用するアプローチが紹介された。ダイオードレーザ光源を使用することにより、ＤＭＤプロセスを精密に制御するためのパワー調整に対する応答時間が改善されることによる利点がもたらされる。米国特許第７，７６５，０２２号では、中央ダイオードレーザシステムが光学モニタ及び側方に取り付けられた粉末／ワイヤ／テープデリバリシステムと組み合わされている。このアプローチでは、ワイヤ又は粉末供給材料のいずれかが使用されるが、同じＤＭＤ装置内でワイヤ又は粉末供給材料を使用する能力は与えられていない。同じＤＭＤ装置内の中心軸をワイヤ又は粉末供給材料が通ることを容易にすることと、ダイオードレーザファイバ又はダイオード励起固体レーザファイバからなる軸外アレイの使用と、を組み合わせて供給材料を溶融させることは、相互参照される関連出願の参照を除いては、提示されていない。

中国特許出願公開第１０９３３８３５９号明細書には、複数の金属粉末ストリームを精密にマッチングさせるための高速レーザクラッディングヘッドにおいて高速レーザコーティングヘッドを用いることが記載されており、これによって複数の金属粉末ストリームと複数のレーザビームとがマッチングされることで、ヘッド内の金属粉末の使用率が可能な限り高くなり且つジャムがないように構成されている。コーティングヘッドは、カラム固定ベース、移行接続スリーブ及び粉末供給ヘッドを備える。

この装置には、以下を含む一連の制限がある。
－この装置は外部レーザを含み、エネルギーが光ファイバによってヘッドに伝送されるので、エネルギーの損失や、動作中の熱、機械的相互作用及びレーザ放射の反射によるファイバ破損及びファイバコネクタ損傷の可能性が生じる。
－記載されたシステムは、粉末クラッディングオペレーションにのみ適用され、付加製造、ワイヤ若しくは粉末クラッディング、レーザ溶接、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨には適用できない。
－記載されたシステムは、粉末クラッディングオペレーションにのみ適用され、付加製造、ワイヤ若しくは粉末クラッディング、レーザ溶接、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨には適用できない。
－このシステムはレーザ反射保護に対処していない。これにより、システムの寿命が短くなることでレーザによる部品の破壊が生じる可能性がある。
－発明に用いられるレーザの数は２つ又は３つのレーザである。
－このシステムは、粉末を処理することしかできない。
－このシステムは、プロセスの重要な側面である不活性ガスの分配については記載していない。
－このシステムはマルチビーム粉末ノズルにのみ適用される。
－このシステムは、ヘッド接続に対処していない。

これらの制限は国際公開第２０１１／０８２５８２号、中国特許出願公開第１０７０８３５５０号、中国特許出願公開第１０８６３７２５１号及び米国特許出願公開第２０１７／０５０２６８号に等しく適用され得る。
また、先行技術文献として米国特許出願公開第２０１８／３１８９２９号明細書を挙げる。

レーザパワー、ワイヤ及び粉末堆積、インラインプロセス制御、ワイヤ供給ドライバ／精密制御並びにシールドガスを単一装置を用いて提供するユニークな方法を提供する、コンパクトマルチレーザヘッドにおける金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置が開示される。マルチモードレーザ装置は、幅広いレーザベース金属製造用途のためのコンパクトな解決手段を提供し、これにより、３Ｄ金属プリンタ、ＣＮＣマシン、レーザセル、レーザセーフエンクロージャ並びにロボット及びガントリシステムにおける使用を含む複数の金属プリンティングプラットフォーム内での実施が容易となる。他の実施形態では、広範囲マルチモード（例えば、一般に、ＡＭ／レーザクラッディングなどのシングル又はダブル適用モード）を組み込まず、堆積ヘッドの中心を通って入るレーザが使用され、その際、材料（ワイヤ又は粉末）は同軸に又は側面から入る。

マルチモードレーザ装置は、そのコンパクトなサイズとオープンエア又は不活性雰囲気環境下で動作する能力とにより、幅広いシステムで動作可能である。

ＡＭ、レーザクラッディング及びレーザ溶接（非自生モード）の実施形態では、堆積材料はヘッドの中心軸を通って入り、複数のレーザからのレーザエネルギーは精密な焦点で材料供給物及びワークピースと一致するように角度付けされている。複数のファイバ結合ダイオードレーザ又はファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）により高有効レーザパワーが提供される。各レーザについてコンピュータ制御の下で独立して対処することができ、これにより各レーザのパワーを個別に調整することが可能となり、溶融プールの成形が可能となる。この設計の特徴は、ワイヤ及び粉末供給材料を同軸配置で別々のチャネルに配置し、材料供給の精密な監視及び調整をすることである。この設計は、クーラント、シールドガス、粉末流及びワイヤ供給物のための複数の内部チャネルを含む。シールドガスは、調整可能な構成を介して光学部品を保護しビルド面を覆うために送られる。プロセスフィードバック制御によって、堆積を最適化するためのプロセスパラメータの継続的な調整が提供される。コンパクトな導管によって、クーラント、供給材料及びシールドガスを含む供給ラインが囲まれる。

単一装置は、供給堆積ヘッドと、複数の軸外レーザビームと、インラインプロセス制御システムと、少なくとも１つの軸外若しくは同軸の粉末供給材料ノズルと、ワイヤ供給材料を距離測定プローブとして使用することができるワイヤ供給ドライバ及び精密制御部と、シールドガス保護部と、からなる。

供給物とレーザの結合を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の側面図である。供給物とレーザの結合を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の切り取り側面図である。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の拡大斜視図であり、複数のレーザ光源から放射される複数のレーザビームを示し、レーザ光源は、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は（複数の）外部ファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）又は内部ファイバ結合若しくは無ファイバ固体ダイオードレーザ又は固体レーザを含むが、これらに限定されない。複数のレーザは挿入可能レーザアセンブリとして構成され、レーザアセンブリは、レーザ製造プロセスのエネルギー源を備える精密に向けられた焦点に高有効パワーを送るためにロック機構により精密に調整可能かつ固定可能である。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の拡大斜視図であり、複数のレーザ光源から放射される複数のレーザビームを示し、レーザ光源は、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は（複数の）外部ファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）又は内部ファイバ結合若しくは無ファイバ固体ダイオードレーザ又は固体レーザを含むが、これらに限定されない。複数のレーザは挿入可能レーザアセンブリとして構成され、レーザアセンブリは、レーザ製造プロセスのエネルギー源を備える精密に向けられた焦点に高有効パワーを送るためにロック機構により精密に調整可能かつ固定可能である。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための外部ファイバ結合挿入可能レーザアセンブリの斜視図であり、レーザファイバ、レーザファイバ結合部、コリメーション及び集光光学系、シールドガス保護部並びに冷却システムの配置を示す。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための外部ファイバ結合挿入可能レーザアセンブリの切り取り図であり、レーザファイバ、レーザファイバ結合部、コリメーション及び集光光学系、シールドガス保護部並びに冷却システムの配置を示す。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための内部ファイバ結合又は無ファイバ挿入可能レーザアセンブリの斜視図であり、（複数の）内部固体ダイオードレーザ、コリメーション及び集光光学系、シールドガス保護部、背面反射保護部、統合照準ビーム並びに冷却システムの配置を示す。金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための内部ファイバ結合又は無ファイバ挿入可能レーザアセンブリの切り取り図であり、（複数の）内部固体ダイオードレーザ、コリメーション及び集光光学系、シールドガス保護部、背面反射保護部、統合照準ビーム並びに冷却システムの配置を示す。統合ワイヤ供給（引っ張り）システムを特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図である。装置の下面を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の底面図であり、ワイヤ供給材料オリフィス、粉末供給材料ノズル、粉末供給材料ノズルオリフィス、プロセスガスオリフィス及びレーザビームを備えた中央堆積ノズルを示す。円錐状ノズルによる分配、又はワイヤ供給チャネルを周方向に囲むように配置された個々の平行粉末ジェットを提供する複数の独立した軸外粉末ノズルのいずれかで、粉末を同軸で送る２つの方法を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置のための一実施形態の底面図である。着脱可能シールドガス拡散器と併用されるプロセスの加工表面へのプロセスガス分配及び供給チャネルを特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図である。着脱可能シールドガス拡散器と併用されるプロセスの加工表面へのプロセスガス分配及び供給チャネルを特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の切り取り図である。供給導管内に収容される流入供給ラインに対するレーザ装置の迅速な切断及び迅速な再接続を容易にするヘッド供給ネック結合部を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置のための一実施形態の斜視図である。供給ラインは、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は外部ファイバ結合ＤＰＳＳＬのためのレーザファイバの配索／管理部に加えて、電気的接続部、水冷却接続部、プロセスガス接続部、ワイヤ材料ガイドチャネル接続部及び粉末供給接続部を含む。供給導管内に収容される流入供給ラインに対するレーザ装置の迅速な切断及び迅速な再接続を容易にするヘッド供給ネック結合部を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の実施形態の切り取り図である。供給ラインは、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は外部ファイバ結合ＤＰＳＳＬのためのレーザファイバの配索／管理部に加えて、電気的接続部、水冷却接続部、プロセスガス接続部、ワイヤ材料ガイドチャネル接続部及び粉末供給接続部を含む。供給導管内に収容される流入供給ラインに対するレーザ装置の迅速な切断及び迅速な再接続を容易にするヘッド供給ネック結合部を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の実施形態の拡大図である。供給ラインは、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は外部ファイバ結合ＤＰＳＳＬのためのレーザファイバの配索／管理部に加えて、電気的接続部、水冷却接続部、プロセスガス接続部、ワイヤ材料ガイドチャネル接続部及び粉末供給接続部を含む。ワイヤ供給材料がノズル内に引き込まれるときにワイヤ供給材料の先端を自動的に検出するワイヤ材料位置センサを特徴とし、ワイヤ供給材料を距離測定プローブとして使用することによってノズルから加工表面までの距離の自動精密制御を可能にする、金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の切り取り斜視図である。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いて（独立して又は同時に）金属ワイヤ及び金属粉末を使用するＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いて（独立して又は同時に）金属ワイヤ及び金属粉末を使用するＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いて（独立して又は同時に）金属ワイヤ及び金属粉末を使用するＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いて（独立して又は同時に）金属ワイヤ及び金属粉末を使用するＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨のための方法を示す。複数の軸外レーザビームを有する単一装置を用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨のための方法を示す。

図１は、供給物とレーザの結合を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の側面図である。図１には、外部ファイバ結合ダイオードレーザ、外部ファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）、又は内部ファイバ結合若しくは無ファイバ固体ダイオードレーザを含むがこれらに限定されない軸外レーザ光源（１０５）と、軸外レーザビーム開口部（１１０）と、軸外レーザ光ビーム（１１５）と、ワイヤ材料供給物（１２５）と、ワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０）と、が示されている。

図１に示すように、ワイヤ供給材料（１２５）は、ワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０）にて複数の軸外レーザファイバ源と組み合わされることによって金属堆積に使用される。一部の実施形態では、ワイヤ供給物供給チャネルは、堆積ヘッドを介してシールドガスを供給することができる。図１において、考え得る金属粉末の並行又は同時の供給及び提供は示されていない。堆積供給原料は、ワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０）に向かう材料供給物として出現する。

図２は、供給物とレーザの結合を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の切り取り側面図である。図２は、切り取り図であることに加えて、図１からの追加の特徴を示している。図２には、中心軸ワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）及び中央堆積ノズル（１３０）が示されている。

図３Ａ及び図３Ｂは、金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図及び拡大図であり、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ、又は外部ファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）、又は内部ファイバ結合若しくは無ファイバ固体ダイオードレーザを含むがこれらに限定されない複数のレーザ光源（１０５）から放射される複数のレーザビーム（１１５）を示す。

複数のレーザは挿入可能レーザアセンブリ（１４０）として構成されており、挿入可能レーザアセンブリ（１４０）は、レーザ製造プロセスのエネルギー源を備える精密に向けられた焦点（１２０）に高有効パワーを送るためにロック機構（１４０）を用いて精密に調整可能かつ固定可能である。また、図３Ａ及び図３Ｂには、マルチモードレーザ装置（１４５）及び中央堆積ノズル（１３０）のための取り付け構造も示されている。

（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ、又は外部ファイバ結合ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）、又は内部ファイバ結合若しくは無ファイバ固体ダイオードレーザを含むがこれらに限定されない複数のレーザ光源（１０５）から放射される複数の軸外レーザビーム（１１５）は、図１２に関し記載される複数の軸外レーザビームを用いる金属ワイヤ及び金属粉末を（独立して又は同時に）使用するＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のためのレーザ製造プロセスと、図１３に関し記載される複数の軸外レーザビームを用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨レーザ製造プロセスと、のためのエネルギー源を備える精密に向けられた焦点（１２０）にレーザエネルギーを提供する。

複数の軸外レーザ光源（１０５）は、レーザビーム（１１５）をレーザ製造プロセスの焦点（１２０）に送る。ロック機構（１４０）により精密に調整可能かつ固定可能な挿入可能レーザアセンブリの設計により、軸外レーザ光源（１０５）を精密に位置合わせして、レーザビーム（１１５）をレーザ製造プロセスの焦点（１２０）に確実に集光させることができる。

一部の実施形態では、マルチモードレーザ装置の設計により、レーザビーム（１１５）の傾斜の角度を鉛直(vertical)から変化させることができ、これにより、レーザビームの焦点（１２０）で生成される溶融ゾーンのエネルギーの効率性のためのプロセス最適化や、レーザ光源（１０５）を損傷し得る鏡面反射（背面反射又は別のレーザレンズ／ファイバアセンブリへの反射のいずれか）の可能性を最小限に抑えるなどの他の考慮事項に対する最適化が容易となる。一部の実施形態では、複数の軸外レーザビーム（１１５）は、鉛直から１度～３０度傾斜している。一部の実施形態では、複数の軸外レーザビーム（１１５）は、鉛直から３０度～６０度傾斜している。

マルチモードレーザ装置（１４５）の取り付け構造により、レーザ装置をプリントエンクロージャ、ロボットシステム、ガントリシステム、コンピュータ数値制御システム又は別の機械内に固定することが可能となる。

図４Ａ及び図４Ｂは、金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための外部ファイバ結合挿入可能レーザアセンブリの斜視図及び切り取り図であり、レーザファイバ（１５０）、レーザファイバ結合部（１５５）、コリメーション及び集光光学系（１６０）、レーザビーム開口部（１１０）、シールドガス保護部（１７０）並びに冷却システム（１６５）の配置を示す。各レーザビーム開口部（１１０）は、そのそれぞれのレーザビーム（１１５）を囲むとともに、レーザ光源（１０５）を損傷し得る鏡面反射（背面反射又は別のレーザレンズ／ファイバアセンブリへの反射のいずれか）の可能性を最小限に抑えるためにその出口ポイントに設けられた精密に製造された開口部を有するように設計される。保護シールドガスは、シールドガス保護チャネル（１７０）を介して送られ、これにより、微粒子、塵又は煙がレーザビーム開口部（１１０）に入りコリメーション及び集光光学系（１６０）を損傷する可能性を低減する。また、シールドガス保護チャネル（１７０）を通って送られる保護シールドガスは、レーザ製造プロセスの焦点（１２０）に不活性ガスを送ることも容易にし、このことは、ＡＭ、レーザクラッディング、レーザ溶接、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨プロセスにおいて、熱影響ゾーンにおける酸化を低減するために望ましい。

マルチモードレーザ装置の本体は、挿入可能レーザアセンブリの構造及び支持を提供する。レーザ光源（１０５）の軸外構成により、マルチモードレーザ装置に単一又は複数のレーザビーム（１１５）を組み込むことが可能となる。ベース構成では、３つの軸外レーザ光源（１０５）が用いられ、各レーザ光源（１０５）間で１２０度の回転対称性があるが、他の軸外構成も可能であり一部の実施形態で使用することができる。この設計は軸外レーザキテクチャからの恩恵を受けるものであり、何故なら、図７及び図８について図示及び記載するように、追加のレーザ光源（１０５）を周方向に組み込むことによって並びに粉末及びワイヤ材料の供給物を軸上に配置することを可能にすることによって、レーザパワーの拡大縮小が可能になるからである。

一部の構成では、異なる波長及びパワーのレーザを使用することができる。一部の実施形態では、複数のレーザ光源（１０５）は、およそ７００ｎｍから１ｍｍの間の波長の赤外スペクトル光のレーザ光を放射する。一部の実施形態では、複数のレーザ光源は、およそ４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長の可視スペクトル光のレーザ光を放射する。一部の実施形態では、複数のレーザ光源は、およそ１８０ｎｍから４００ｎｍの間の波長の紫外スペクトル光のレーザ光を放射する。レーザ製造プロセスで使用される供給材料に適した他の波長を使用してもよい。

図５Ａ及び図５Ｂは、金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態のための内部ファイバ結合又は無ファイバ挿入可能レーザアセンブリの斜視図及び切り取り図であり、（複数の）内部固体ダイオードレーザ（１７５）、コリメーション及び集光光学系（１６０）、シールドガス保護部（１７０）、背面反射保護部（１８５）、統合照準ビーム（１８０）並びに冷却システム（１６５）の配置を示す。コリメーション及び集光光学系（１６０）、背面反射保護部（１８５）、並びに統合照準ビーム（１８０）の実際の配置は、他の実施形態において、追加のレーザパワーが必要となる場合があるレーザ製造用途に関連する制約に応じて様々であってもよく、追加の保護機能部（１８５）は、背面反射を受光及び検出するとともにそれぞれのレーザアセンブリの迅速な瞬間的な動作停止を可能にするフォトセンサを介して達成される。

図５Ａ及び図５Ｂに示す設計は柔軟性を有し、これにより、各内部ファイバ結合又は無ファイバ挿入可能レーザアセンブリ内に単一又は複数の内部固体ダイオードレーザ（１７５）を組み込むことが可能となり、結果として、各レーザアセンブリ内に追加の固体ダイオードレーザ（１７５）を組み込むことでプロセスに送られる最大レーザパワーを増大することが可能になる。単一の内部固体ダイオードレーザ（１７５）よりも高いパワー構成を特徴とする実施形態の場合には、コリメーション及び集光光学系（１６０）、背面反射保護部（１８５）、並びに統合照準ビーム（１８０）の配置を調整してもよいが、基本的なアーキテクチャ及び概念は図５Ａ及び図５Ｂに示すものと同じままである。マルチモードレーザ装置の本体は、挿入可能レーザアセンブリの構造及び支持を提供する。レーザ光源（１０５）の軸外構成により、マルチモードレーザ装置に単一又は複数のレーザビーム（１１５）を組み込むことが可能となる。ベース構成では、３つの軸外レーザ光源（１０５）が用いられ、各レーザ光源（１０５）間で１２０度の回転対称性があるが、他の軸外構成も可能であり一部の実施形態で使用することができる。この設計は軸外レーザアーキテクチャからの恩恵を受けるものであり、何故なら、図７及び図８について図示及び記載するように、追加のレーザ光源（１０５）を周方向に組み込むことによって、並びに粉末及びワイヤ材料の供給物を軸上に配置することを可能にすることによって、レーザパワーの拡大縮小が可能となるからである。

図６は、統合ワイヤ供給（引っ張り）システム（１９０）を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図である。また図６には、関連するワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）が示されている。一部の実施形態では、統合ワイヤ供給（引っ張り）システム（１９０）は、レーザ装置（１４５、図３Ａ）の取り付け構造内に収容される。他の実施形態では、統合ワイヤ供給（引っ張り）システム（１９０）は、レーザ装置（１４５、図３Ａ）の取り付け構造の外側に位置する。

自動供給圧力制御を備えた統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０）は、隣接する装置内に配置されたワイヤ供給スプールから堆積ワイヤを引っ張って中央堆積ノズル（１３０、図３Ａ）に堆積ワイヤを送るための制御機構として働き、堆積ワイヤはレーザビームの焦点（１２０）と交差することでＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のためのレーザ製造プロセスで使用される。ワイヤの供給圧力は、ワイヤ引っ張りシステム（１９０）のモータのトルクを自動的に測定し、ワイヤ供給速度を調整するとともに安定したワイヤ供給圧力を維持するためにモータ電流を調整することによって、調整される。他の実施形態では、金属堆積プロセスの最適制御を提供するためにレーザビーム（１２０）のパワーレベルを自動的に変調するために、ワイヤの供給圧力がソフトウェアで使用される。他の実施形態では、レーザビーム（１２０）のワイヤ供給速度及びパワーレベルは独立して又は同時に調整される。図７は、装置の下面を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の底面図であり、ワイヤ供給材料（１９５）を供給するための中央堆積ノズル（１３０）、粉末供給材料（２０５）を供給するための粉末供給材料ノズル（２００）、プロセスガスオリフィス（２１０）及びレーザビーム（１１５）を示す。

オプションのノズルカウリング（２２０、図９）は、図７には示されていないが、図９に示すようにマルチモードレーザ装置の一部の実施形態において設置することができる。ノズルカウリング（２２０、図９）は、一部のレーザ製造用途におけるプロセス及びシールドガスの分配を改善することができる。

図８は、粉末を同軸で送るための２つの方法を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の底面図である。第１の方法は、同軸円錐状粉末供給材料ノズル（２１５）で構成され、同軸円錐状粉末供給材料ノズル（２１５）は、中央堆積ノズル（１３０）及びワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）を囲み、加工表面におけるワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０、図１）に粉末の円錐状の分配を同軸で提供する。第２の方法は、中央堆積ノズル（１３０）の周囲に配置された複数の独立した軸外粉末供給材料ノズル（２００）から構成され、加工表面におけるワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０、図１）に個別の平行粉末ジェットを提供する。

図９Ａ及び図９Ｂは、着脱可能ノズルカウリング（２２０）と併用される、プロセスの加工表面へのプロセスガス分配及び供給チャネル（２１０）を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図及び切り取り図である。着脱可能でありオプションのノズルカウリング（２２０）は、一部のレーザ製造用途におけるプロセス及びシールドガスの分配を改善することができる。プロセスガスチャネル（２１０）により、例えばアルゴンのような不活性ガスを、加工表面におけるワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０、図１）に供給する能力が与えられる。

図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、ヘッド供給ネック結合部（２２５）を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図、切り取り図及び拡大図であり、ヘッド供給ネック結合部（２２５）は、供給導管（２３０）に収容された流入供給ラインに対するレーザ装置の迅速な切断及び迅速な再接続を容易にする。供給ラインは、（複数の）外部ファイバ結合ダイオードレーザ又は外部ファイバ結合ＤＰＳＳＬのためのレーザファイバ（１５０）の配索／管理部（２３５）に加えて、電気的迅速切断／再接続用接続部（２４５）、水冷却迅速切断／再接続用接続部（１６５）、プロセスガス迅速切断／再接続用接続部（２１０）、ワイヤ材料ガイドチャネル迅速切断／再接続用接続部（１３５）及び粉末供給チャネル迅速切断／再接続用接続部（２０５）を含む。水冷却ライン取付具（１６５）は、マルチモードレーザ装置を動作温度に維持するための冷却水の入口及び出口を提供する。クーラントは水などの液体流体であってもよい。

また図１０Ｂには、ワイヤ材料を供給導管（２３０）から供給ネック接合部（２２５）を介してマルチモードレーザ装置のワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）内にガイドすることを助けるワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）の円錐形状の特徴部も示されている。

一部の実施形態では、これらの円錐形状の特徴部は、プロセスにおいて複数の金属ワイヤが使用される場合のワイヤの通過及び交流も容易にする。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、ワイヤ材料位置センサ（２４０）を特徴とする金属製造用途のためのマルチモードレーザ装置の一実施形態の斜視図及び切り取り図であり、ワイヤ材料位置センサ（２４０）は、ワイヤ供給材料（１９５）の先端が中央堆積ノズル（１３０）を通ってワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）内に引き込まれるときに当該先端を自動的に検出する。ワイヤ材料位置センサは、光電センサ、容量センサ又はホール効果電気センサを使用し、これにより、ワイヤ供給材料（１９５）を距離測定プローブとして使用することによってマルチモードレーザ装置の中央堆積ノズル（１３０）の先端から加工表面までの精密な距離が自動的に制御される。これは、ワイヤ供給材料（１９５）の先端がワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）を通って引き上げられるときに当該先端の正確な位置を検出し、次いで、この情報をソフトウェアで使用し、統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０、図６）の自動供給圧力制御を組み合わせて、ワイヤをレーザ製造プロセスの焦点（１２０、図３Ａ）までの精密な距離に正確に挿入することによって、達成される。

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ及び図１２Ｄは、複数の軸外レーザビーム（１１５）を有する単一装置を用いて金属ワイヤ（１９５）及び金属粉末（２０５）を独立して又は同時に使用する、ＡＭ、レーザクラッディング又はレーザ溶接（非自生モード）のための方法を示す。この実施形態では、金属粉末供給物を、中央堆積ノズル（１３０、図８）及びワイヤ材料ガイドチャネル（１３５、図８）を取り囲む同軸粉末供給材料ノズル（２１５、図８）を介して、あるいは中央堆積ノズル（１３０、図８）の周囲に周方向に配置された複数の独立した軸外粉末供給材料ノズル（２００、図８）を介して供給することで、加工表面におけるワイヤ、粉末及びレーザビームのための焦点（１２０、図１）に個別の平行粉末ジェットを提供することができる。

ステップ３０５において、マルチモードレーザ装置を手動で正しい加工距離に位置決めする、あるいは、金属ワイヤ材料（１９５）、ワイヤ材料ガイドチャネル（１３５、図１１）内に位置するワイヤ材料位置センサ（２４０、図１１）及び統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０、図６）の自動供給圧力制御を利用して、マルチモードレーザ装置の加工距離を精密に測定し、必要に応じて、その位置を、それが設置されている３Ｄ金属プリンタ、ＣＮＣ機械、レーザセル、レーザセーフエンクロージャ又はロボット若しくはガントリシステムのソフトウェア及び運動学を利用して、自動的に調整する。

ステップ３１０において、中央堆積ノズル（１３０）を通る金属ワイヤ（１９５）の供給、及び／又は、同軸円錐状粉末供給材料ノズル（２１５）若しくは中央堆積ノズル（１３０）の周りに周方向に配置された複数の粉末供給材料ノズル（２００）のいずれかを通る金属粉末（２０５）の供給を開始する。

ステップ３１５において、加工表面におけるワイヤ、粉末及びレーザビーム（１２０）の焦点におけるワイヤ材料供給物（１９５）及び／又は粉末供給材料（２０５）の溶融を可能にするために、複数の軸外レーザ光源（１０５）を起動して、レーザビーム開口部（１１０）を通してレーザ光ビーム（１１５）を生成及びガイドする。

ステップ３２０において、金属粉末オリフィス（２１０）及び／又はシールドガス保護チャネル（１７０）及び／又は同軸粉末供給材料ノズル（２１５）を介してシールドガスを同時に供給する。

ステップ３２５において、ワイヤ供給材料（１９５）及び／又は粉末供給材料（２０５）を溶融し、金属基板（加工表面）と融合させることによって、連続的に積層された三次元金属構造体を作製する。

ステップ３３０において、統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０、図６）の自動ワイヤ供給圧力制御を利用して、ワイヤ供給材料（１９５）の供給速度を精密に制御し及び／又はレーザビーム（１２０）のパワーレベルを変調して、金属堆積プロセスを制御する。

ステップ３３５において、金属ワイヤ材料（１９５）、ワイヤ材料位置センサ（２４０、図１１）及び統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０、図６）の自動供給圧力制御を利用して、製造された金属構造体のビルド高さを周期的に測定し、ワイヤ、粉末及びレーザビーム（１２０）のための焦点が常に加工表面に位置合わせされるように補正されることを確実にするために加工距離を自動的に調整する。

図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１３Ｄは、複数の軸外レーザビーム（１１５）を有する単一装置を用いるレーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨のための方法を示す。この実施形態では、金属粉末及び金属ワイヤ原料はプロセスでは使用されず、レーザビーム（１１５）のみが使用される。しかしながら、金属粉末供給チャネル（同軸ノズル（２１５、図８））及び／又は複数の独立した軸外粉末供給材料ノズル（２００、図８）を用いて、酸化の影響からビルド表面を保護するためにシールドガスを供給してもよい。さらに、金属ワイヤ材料（１９５）が存在してステップ４０５で説明したように距離測定プローブとして機能する目的で使用されてもよい。

ステップ４０５において、マルチモードレーザ装置を手動で正しい加工距離に位置決めする、あるいは、金属ワイヤ材料（１９５）、ワイヤ材料ガイドチャネル（１３５、図１１）内に配置されたワイヤ材料位置センサ（２４０、図１１）、及び統合ワイヤ引張りシステム（１９０、図６）の自動供給圧力制御を利用して、マルチモードレーザ装置の加工距離を精密に測定し、必要に応じて、その位置を、それが設置されている３Ｄ金属プリンタ、ＣＮＣ機械、レーザセル、レーザセーフエンクロージャ又はロボット若しくはガントリシステムのソフトウェア及び運動学を利用して、自動的に調整する。

ステップ４１０において、レーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨を可能にするために、複数の軸外レーザ光源（１０５）を起動して、レーザビーム開口部（１１０）を通してレーザ光ビーム（１１５）を生成及びガイドする。

ステップ４１５において、金属粉末オリフィス（２１０）及び／又はシールドガス保護チャネル（１７０）及び／又は同軸粉末供給材料ノズル（２１５）を介してシールドガスを同時に供給する。

ステップ４２０において、レーザ溶接（自生モード）、レーザ切断、レーザテクスチャリング及びレーザ研磨を実行する。

上記の説明及び図面は本開示の実施形態及び教示である。全ての変形は本開示の精神及び範囲内である。本開示は特許請求の範囲を図示又は説明された実施形態のみに限定するものと見なされるべきではない。

本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上記の事項に対し特定の変更を行うことができる。本発明の範囲内で変更が可能である。全ての請求項において列挙される各構造又は要素は全ての同等の構造又は要素をも指す。以下の特許請求の範囲は、本発明が使用され得るどのような形態であっても可能な限り広く本発明を包含することを意図している。

Claims

ハウジングと、
前記ハウジングに統合されたハウジング内の中央堆積ノズル（１３０）を介して、中心軸ワイヤ供給ガイドチューブから焦点（１２０）に、金属ワイヤ（１９５）を送ることが可能なワイヤ引っ張りシステム（１９０）と、
加工表面における前記焦点（１２０）にレーザ光ビーム（１１５）を送るための複数の挿入可能レーザアセンブリを備える複数の軸外レーザ光源（１０５）であって、精密な調整が可能であり且つ精密に向けられた焦点に高有効パワーを送ることが可能である固定ロック機構（１４０）を備え、背面反射を検出するとともに各前記レーザ光源（１０５）の瞬間的な動作停止を可能にするフォトセンサを介して実現される背面反射保護部（１８５）を備える複数の軸外レーザ光源（１０５）と、
前記焦点（１２０）にシールドガスを送ることが可能なシールドガスデリバリーシステム（１７０）と、
冷却システムと、を備え、
付加製造、レーザクラッディング、及び非自生レーザ溶接のうちの１つ以上を実行することが可能である、レーザ装置。
前記統合ワイヤ引っ張りシステム（１９０）は自動供給圧力制御を備える、請求項１に記載のレーザ装置。
前記レーザ装置は、前記焦点（１２０）に粉末供給材料を供給するための同軸粉末供給チャネルをさらに備え、
前記レーザ装置は、金属ワイヤと金属粉末を同時に用いる付加製造を実行するようさらに構成されている、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
前記複数の挿入可能レーザアセンブリは、前記ハウジング内部の複数の固体ダイオードレーザ（１７５）を備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記ハウジング内部の前記複数の固体ダイオードレーザ（１７５）は、１つの同じレーザアセンブリ内に複数のダイオードレーザを収容してレーザパワーを増大させることを容易にすることが可能である、請求項４に記載のレーザ装置。
前記ハウジング内部の前記複数の固体ダイオードレーザ（１７５）は、各々、それぞれのレーザアセンブリに適合され、前記それぞれのレーザアセンブリの位置合わせを補助するためにビームを照準することが可能である、請求項４又は５に記載のレーザ装置。
前記複数の軸外レーザ光源（１０５）は、ファイバ結合固体ダイオードレーザ、並びに／又は前記ハウジングの内部若しくは外部のファイバ結合ダイオード励起固体レーザ、並びに／又は前記ハウジング内部の無ファイバ固体ダイオードレーザを備える、請求項４～６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記レーザ装置は、金属ワイヤと金属粉末を独立して若しくは同時に用いる付加製造、レーザクラッディング、自生及び非自生レーザ溶接、レーザ切断、レーザテクスチャリング、並びに／又は、レーザ研磨を実行することが可能である、請求項１～７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記複数のレーザ光源（１０５）は、赤外スペクトル光のレーザ光又は可視スペクトル光のレーザ光又は紫外線スペクトル光のレーザ光を放射する、請求項１～８のいずれか一項に記載のレーザ装置。
シールドガスを加工表面上に拡散させるための着脱可能シールドガス（１７０）カウリングをさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
ワイヤ供給チャネルをさらに備え、
前記ワイヤ供給チャネルには、ワイヤ供給材料（１９５）が前記中央堆積ノズル（１３０）を通ってワイヤ材料ガイドチャネル内に引き込まれるときに前記ワイヤ供給材料（１９５）の先端を自動的に検出するためのワイヤ材料位置センサ（２４０）が組み込まれている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記ワイヤ材料位置センサ（２４０）は、光電センサ又は容量センサ又はホール効果電気センサを備え、
前記光電センサ又は前記容量センサ又は前記ホール効果電気センサは、
前記ワイヤ供給材料が前記ワイヤ材料ガイドチャネル（１３５）を通って引き上げられるときに前記ワイヤ供給材料の先端の正確な位置を検出することによって、前記レーザ装置の前記中央堆積ノズル（１３０）の先端から加工表面までの精密な距離を自動的に制御することが可能であり、且つ、
前記ワイヤを前記焦点（１２０）までの精密な距離に正確に挿入するために前記統合ワイヤ引っ張りシステムの自動供給圧力制御を計算することが可能である、請求項１１に記載のレーザ装置。
前記ワイヤ供給チャネルの周囲に配された円錐状ノズル（２１５）を介して粉末が同軸で送られるか、あるいは、前記ワイヤ供給チャネルを周方向に囲むように配置された個別の平行粉末ジェットを提供する複数の独立した軸外粉末ノズル（２００）で粉末が同軸で送られる、請求項１１又は１２に記載のレーザ装置。