KR102283851B1 - 레이저 프린팅 시스템 - Google Patents

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KR102283851B1
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스테판 패털노스터르
저드 캔츠러
조센 필립피
스테판 그로넨본
헤슬러 게로
홀저 묀히
랄프 콘라즈
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에오스 게엠베하 엘렉트로 옵티컬 시스템즈
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Abstract

본 발명은 물체를 비추기 위한 레이저 프린팅 시스템(100)에 관한 것으로, 상기 물체는 작용 평면(180)에서 상기 레이저 프린팅 시스템(100)의 레이저 모듈에 대해 움직이고, 상기 레이저 모듈은 반도체 레이저의 적어도 2개의 레이저 어레이와, 적어도 하나의 광학 소자를 포함하며,
상기 광학 소자는 하나의 레이저 어레이의 반도체 레이저의 레이저 광이 상기 레이저 프린팅 시스템의 작용 평면에서 하나의 픽셀에 상으로 맺히도록, 상기 레이저 어레이가 방출한 레이저 광이 이미지화되도록 조정되고,
상기 레이저 프린팅 시스템은 첨가 제작을 위한 3D 프린팅 시스템이며, 2개, 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 모듈(201, 202)이 제공되고, 상기 레이저 모듈은 작용 평면(180)의 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 열(c1, c2)에서 배치되며,
상기 열은 레이저 모듈(c1)의 제1 열의 제1 레이저 모듈(201)이 물체의 제1 영역(y1)을 비추게 조정되고, 레이저 모듈의 제2 열(c2)의 제2 레이저 모듈(202)이 물체의 제2 영역(y2)을 비추게 조정되도록, 서로에 관해 지그재그 모양으로 배치되어 있으며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 상기 제1 영역(y1)이 상기 제2 영역(y2)에 인접해 있다.

Description

레이저 프린팅 시스템{LASER PRINTING SYSTEM}
본 발명은 레이저 프린팅 시스템과 레이저 프린팅 방법에 관한 것으로, 즉 예를 들면 신속한 시제품화(prototyping)를 위해 사용된, 추가적인 제작을 위해 레이저에 의한 3D 프린팅 분야에서의 레이저 프린팅 시스템과 레이저 프린팅 방법에 관한 것이다. 본 발명은 문서의 프린팅과 같은 2D 프린팅에 관계된 것은 아니다.
선택적-레이저 용융 기계는 하나의 고출력 레이저와, 비추어질 영역 위에서 레이저를 스캔하기 위한 스캐너로 구성된다. 그러한 기계에서, 레이저와 스캐너는 프로세스 챔버(process chamber)의 외측에 배치되고, 레이저광은 빌딩 영역(building area)을 담고 있는 프로세스 챔버 내로 엔트런스 윈도우(entrance window)를 통과할 수 있다. 처리 속도를 증가시키기 위해서는, 여러 개의 독립적인 채널이 있는 프린팅 헤드, 즉 그 영역의 상당한 부분을 덮는 레이저들의 어드레스 가능한(addressable) 어레이(array)를 가지는 것이 바람직하다. 프린팅 헤드가 한 방향으로만 움직일 필요가 있도록, 프린팅 헤드가 하나의 픽셀마다 하나의 어드레스 가능한 레이저 소스로 프린팅될 영역의 전체 폭을 커버하는 것이 바람직하다. 그러한 어드레스 가능한 어레이의 신뢰성 및 서비스 비용이 문제가 될 수 있다.
US2005/0151828A1은 전자 레이저 프린팅(xerographic laser printing)을 위한 장치를 개시한다. 전자 프린팅 시스템은 복수의 미세 광학적(micro-optic) 발광 어레이를 포함하는 레이저 프린트바 이미저(printbar imager) 조립체를 가진다. 미세 광학적 발광 어레이는 복수의 수직 캐비티(cavity) 표면 방출 레이저를 포함하고, 이 경우 수직 캐비티 표면 방출 레이저 각각은 미세 광학 소자를 가지고 초점이 맞추어진다.
그러므로 본 발명의 목적은 개선된 레이저 프린팅 시스템과 대응하는 레이저 프린팅 방법을 제공하는 것이다.
일 양태에 따르면, 작용면에서 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈에 대해 움직이는 물체를 비추기 위한 레이저 프린팅 시스템이 제공된다. 레이저 모듈은 반도체 레이저의 적어도 2개의 레이저 어레이와 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다. 이러한 광학 소자는 하나의 레이저 어레이의 반도체 레이저의 레이저 광이 레이저 프린팅 시스템의 작용면에서 하나의 픽셀에 상으로 맺히도록 레이저 어레이에 의해 방출된 이미지 레이저 광에 적합하게 된다.
픽셀의 영역 요소(area element)는 적어도 2개의 반도체 레이저에 의해 비추어지는 것이 바람직하다.
알려진 레이저 프린팅 시스템은 하나의 고출력 레이저를 사용하거나 레이저의 어레이들을 사용한다. 예를 들면, 고출력 레이저의 경우에는 하나의 가장자리 방출(edge emitting) 반도체 레이저가 사용될 수 있는데 반해, 레이저 어레이의 경우에는 VCSELs(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)가 바람직하게 사용된다. VCSEL 어레이는 웨이퍼에 기초한 공정에서 쉽게 제작될 수 있지만, 보통 가장자리 방출 반도체 레이저보다 낮은 출력을 방출한다. 이들 알려진 레이저 프린팅 시스템의 광학 시스템은, 반도체 레이저 각각의 발광 층을 작용면에 투영하거나 집중시킨다.
이러한 접근법과는 대조적으로 본 발명의 바람직한 실시예는 광학 소자에 의한 작용면에서의 2개의 픽셀에 적어도 2개의 레이저 어레이가 이미지화되는 것을 제안한다. 레이저 어레이의 이미지는 반도체 레이저의 발광층의 예리한 이미지들을 포함하지 않는다. 레이저 어레이들 중 하나의 적어도 2개의 레이저에 의해 방출된 광은, 오직 하나의 단일 반도체층에 의해 비추어지는 영역 요소가 존재하지 않도록, 픽셀의 각 영역 요소를 비춘다. 바람직하게는, 하나의 레이저 어레이의 3개, 4개, 또는 다수의 반도체 레이저가 동시에 픽셀의 하나의 영역 요소를 비춘다. 심지어 2개의 레이저 어레이가 동시에 동일한 픽셀에 이미지화되는 경우도 있다. 그러므로 픽셀의 영역 요소마다 다수의 반도체 레이저를 사용함으로써, 작용면에 더 많은 강도(intensity)가 제공될 수 있다. 어레이들의 다수의 반도체 레이저의 확산 이미지(diffuse image)가 작용면에 픽셀들을 형성한다. 레이저 프린팅 시스템은 광학 에너지에 의한 작용면에서의 물체를 비추는 것이나 에너지를 입력하는 것에 대한 단일 반도체 레이저 각각의 비교적 낮은 기여로 인해 더 신뢰할 수 있다. 따라서 레이저 어레이의 단일 반도체층의 기능 불량은 레이저 프린팅 시스템의 기능 불량을 일으키지 않는다.
레이저 모듈은 레이저 프린팅 시스템(스캐닝)에 대해 움직일 수 있고/있거나 그 물체가 레이저 프린팅 시스템에 대해 움직일 수 있다. 물체는 레이저 프린팅 시스템에 의해 소결될 수 있는 분말(powder) 레이저일 수 있다. 물체만이 움직여지는 것이 바람직할 수 있다. 레이저 프린팅 시스템은 1개, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 레이저 모듈에 의해 물체의 폭에 수직으로 움직이는 물체의 전체 폭을 비추는 것이 가능하게 될 수 있다. 반도체 레이저는 가장자리 방출 반도체 레이저일 수 있지만 VCSEL 어레이 더 낮은 비용으로 인해 바람직할 수 있다.
인접한 반도체 층에 의해 방출되는 레이저 광의 원뿔체가 물체 평면에서 중첩되도록, 작용 평면에 관한 광학 소자의 물체 평면이 반도체 레이저의 평면과 일치하지 않는 방식으로 광학 소자가 배치될 수 있다. 레이저 어레이의 반도체 레이저의 평면은 반도체 레이저의 발광층에 의해 규정된다. 발광층은 활성층(active layer)과 대응하는 공진기 거울을 포함하는 반도체 레이저의 광학 공동(optical cavity)을 포함한다. 광학 소자는 작용 평면에 대한 물체 평면을 규정하는 단일 이미징(imaging) 렌즈 또는 더 복잡한 이미징 광학 기구(optic)일 수 있다. 레이저 어레이의 반도체 레이저의 발광층에 관한 물체 평면의 배치는 작용 평면에서의 발광층들의 확산 중복 이미지의 원인이 될 수 있다. 그러므로 작용 평면에서의 에너지 분포는 작용 평면으로의 반도체 층들의 각 발광층의 투영(projection)에 비해 더 균질할 수 있다. 또한, 광학 소자는 레이저 모듈마다 하나의 투영 렌즈와 같이 간단할 수 있지만, 작용 평면과 레이저 모듈 사이의 거리를 증가시키기 위해, 더 복잡한 렌즈의 조합이 사용될 수 있다. 각각의 레이저 방출층의 예리한 투영을 제공하기 위해, 어떠한 마이크로-렌즈(micro-lens)도 필요하지 않을 수 있다.
레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈이나 레이저 모듈들은 바람직하게는 3개, 4개 또는 다수의 레이저 어레이를 포함한다. 하나의 레이저 어레이가 작용 평면에서 하나의 픽셀에 이미지화될 수 있다. 픽셀들은 하나의 레이저 어레이의 방출된 광학 파워(power)가 또 다른 레이저 어레이가 방출한 광학 파워와 중복되도록 서로에 대해 인접할 수 있다. 심지어 2개, 3개, 또는 그 이상의 레이저 어레이가 작용 평면에서 동일한 픽셀로 맵핑될 수 있다. 광학 소자는, 예를 들면 레이저 모듈의 인접 어레이를 작용 평면에서 하나의 픽셀에 이미지화될 수 있는 마이크로-광학 소자의 어레이를 포함할 수 있다. 2개 이상의 어레이가 이 경우 하나의 픽셀에 이미지화될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 상이한 레이저에 의해 방출된 레이저 광이 상이한 시각에 물체의 표면의 동일한 부분을 비출 수 있다. 이는 제1 어레이의 광이 시각(t1)에서 물체의 규정된 표면을 비출 수 있고, 제2 어레이의 광이 물체가 레이저 모듈(들)에 대해 움직여진 시각(t1)보다 나중 시각(t2)에서 물체의 규정된 표면을 비출 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 프린팅 시스템은 상이한 작용 평면이 있는 레이저 모듈들을 포함할 수 있다. 후자의 경우는 기준 표면에 대해 상이한 높이에 레이저 모듈들을 두는 것 및/또는 상이한 광학 소자들을 제공하는 것에 의해 행해질 수 있다. 상이한 작용 평면은 3차원 프린팅에 있어서 유리할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 레이저 모듈에 관해 규정된 거리만큼 항상 떨어져 있는 작용 평면에 평행한 기준 표면에 관해 레이저 모듈(들)은 움직여질 수 있는 경우가 있을 수 있다.
레이저 모듈 또는 레이저 모듈들의 레이저 어레이는 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 수직인 열(column)들로 배치될 수 있다. 그러한 열들은, 레이저 어레이들의 제1 열의 제1 레이저 어레이가 물체의 제1 영역을 비추게 조정되고, 레이저 어레이들의 제2 열의 제2 레이저 어레이가 물체의 제2 영역을 비추게 조정되도록 지그재그 모양으로 되거나 서로에 대해 종속되며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 제1 영역이 제2 영역에 인접한다. 레이저 어레이들의 이미지는 위에서 논의된 것처럼 부분적으로 중복될 수 있다.
레이저 어레이들은 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 평행하게 배치되는 직사각형의 긴 변(side)을 갖는 직사각형일 수 있다. 이러한 배치는 물체의 움직임 방향에 수직인 옆(lateral) 방향으로 해상도(resolution)를 감소시키지 않으면서, 픽셀마다 더 많은 반도체 층을 제공함으로써, 픽셀마다 더 높은 총 파워(power)를 허용한다.
본 발명에 따르면, 레이저 프린팅 시스템은 2개, 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 모듈을 포함한다. 다수의 레이저 모듈을 사용함으로써, 더 큰 프린팅 영역이 가능해질 수 있다. 또한, 예를 들면 레이저 모듈마다 하나의 이미징 렌즈(imaging lens)를 사용함으로써, 복잡한(complex) 광학 소자가 회피될 수 있다.
또한, 레이저 모듈은 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 수직인 열들에서 배치된다. 그러한 열들은 레이저 모듈들의 제1 열의 제1 레이저 모듈이 물체의 제1 영역을 비추게 조정되고, 레이저 모듈들의 제2 열의 제2 레이저 모듈이 물체의 제2 영역을 비추게 조정되도록 지그재그 모양으로 되거나 서로에 대해 종속되며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 제1 영역이 제2 영역에 인접한다.
레이저 모듈들의 열의 개수는 레이저 모듈들의 하나의 열에서의 레이저 모듈들 사이의 거리가 최소가 되는 방식으로 조정될 수 있다. 모듈 직경과, 어레이들의 이미지의 폭은, 레이저 모듈들에 의해 물체를 비추는 것(illumination)을 커버하는 영역을 가능하게 하기 위해 필요로 하는 열들의 개수를 결정할 수 있다. 어레이 배치의 이미지의 폭에 관련하여 모듈의 직경이 커질수록, 더 많은 열이 필요로 할 수 있다.
각 레이저 모듈의 레이저 어레이들은 가늘고 긴 배치로 배열될 수 있고, 그 경우 가늘고 긴 배열의 긴 변(long side)은 작용 평면에서의 물체의 움직임 방향과 수직이 되게 배치된다. 각 레이저 모듈은, 예를 들면 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 수직인 레이저 어레이들의 2개, 3개 또는 그 이상의 열을 포함할 수 있다. 열 당 어레이의 개수는 열의 개수를 초과할 수 있다. 이러한 배치는 2개 이상의 레이저 모듈이 레이저 프린팅 시스템에 의해 포함될 때 특히 단일 어레이들의 비교적 간단한 구동 방식(scheme)에 의해 물체를 균일하게 비추는 것을 가능하게 할 수 있다. 물체의 각 영역 요소는 이 경우 인접하는 레이저 어레이가 인접하는 픽셀을 비추는 하나의 전용(dedicated) 레이저 어레이에 의해서만 비추어진다. 작용 평면에서의 물체의 움직임 속도는, 물체의 영역 요소에 의한 총 에너지를 규정하기 위해 조정될 수 있다.
레이저 프린팅 시스템의 넓은 작업 공간(물체의 움직임 방향에 수직인 프린팅 폭)이 가능하게 하기 위해, 각 레이저 모듈의 레이저 어레이들이 가늘고 긴 배열로 배치되는 2개, 3개, 4개 또는 다수의 레이저 모듈을 포함할 수 있다.
각 레이저 모듈의 레이저 어레이들은 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 수직인 방향에 관해 기울어지거나 회전되는 가늘고 긴 배열의 긴 변을 갖는 가늘고 긴 배열로 달리 배치될 수 있다. 레이저 모듈들의 중심 주위의 레이저 모듈들의 가늘고 긴 배열의 규정된 경사각 또는 회전은 평탄한 경사면을 갖는 통합된 강도 프로필(intensity profile)을 가능하게 할 수 있고, 이는 또한 특히 픽셀들이 서로에 관해 약간 오정렬된다면 총 강도 분포의 균질성(homogeneity)을 개선하기 위해, 인접하는 픽셀들과 중복될 수 있다. 후자의 경우는 레이저 어레이들의 정렬 노력을 감소시키고, 따라서 레이저 모듈들과 레이저 프린팅 시스템의 제작 비용을 감소시킨다. 오정렬은 극단적인 경우에는 교정(calibration) 물체의 영역 요소와 시간에 의한 에너지 입력에 관한 물체의 움직임 속도가 결정되는 레이저 프린팅 시스템의 추가적인 교정 런(calibration run)에 의해 상쇄될 수 있다.
다르게는, 동일한 레이저 모듈 또는 상이한 레이저 모듈들의 2개, 3개, 또는 그 이상의 레이저 어레이가 물체의 동일한 영역 요소를 비추기 위해 배치될 수 있다. 레이저 어레이들은 그 영역 요소를 지속적으로 비추도록 배치될 수 있다. 작용 평면에서 물체의 영역 요소로의 시간당 에너지 입력이 증가할 수 있다. 이는 물체의 더 높은 속도를 가능하게 할 수 있고, 따라서 레이저 프린팅 시스템의 더 높은 처리량(throughput)을 가능하게 할 수 있다. 게다가, 레이저 어레이들의 오정렬과 단일 반도체 레이저들의 오동작에 관한 오차 허용도가 개선될 수 있다. 위에서 설명된 것과 같은 교정 물체와의 교정 런들에 기초하여 상이한 어레이들의 구동 방식이 적합하게 될 수 있다.
레이저 모듈들의 광학 소자는 작용 평면에서 레이저 어레이들의 이미지를 축소하기 위해 배치될 수 있다. 이러한 축소는 더 작은 픽셀 크기와 더 높은 에너지 밀도를 가능하게 할 수 있다. 각 레이저 어레이는 광학 소자의 부분인 마이크로-렌즈 어레이를 더 포함할 수 있고, 그러한 마이크로-렌즈 어레이는 반도체 레이저들에 의해 방출된 레이저 광의 발산을 낮추도록 배치될 수 있다. 발산의 감소는 단일 픽셀의 크기와 물체 평면에서의 반도체 레이저들에 의해 방출된 레이저 광의 중복 사이의 절충안을 찾기 위해 사용될 수 있다. 또한, 레이저 어레이와 작용 평면 사이의 거리는 마이크로-렌즈 어레이에 의해 조정될 수 있고/있거나 광학 소자(이미징 광학 기구)가 단순화될 수 있다.
레이저 어레이들의 밀도는 레이저 프린팅 시스템에 의해 비추어질 물체의 면적에 따라 변경될 수 있다. 후자의 경우는 물체의 규정된 부분에서 더 높은 파워 밀도를 가능하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 어레이들 내의 반도체 레이저들의 밀도가, 예를 들면 픽셀들의 가장자리에 더 적거나 더 많은 강도가 제공될 수 있도록, 조정될 수 있다. 또한, 어레이들의 모양은 작용 평면에서 규정된 강도 분포를 생성 및/또는 균질성을 개선하기 위해, 필요에 맞추어 만들어질 수 있다. 어레이들은, 예를 들면 다이아몬드, 삼각형, 둥근 모양, 타원형, 사다리꼴 또는 평행 사변형 모양을 가질 수 있다.
레이저 프린팅 시스템은 적어도 서로 이웃하게 배치된 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈을 포함한다. 각 레이저 모듈은 적어도 2개의 레이저 어레이를 포함할 수 있고, 이 경우 제1 레이저 모듈 또는 제2 레이저 모듈의 2개의 레이저 어레이 중 적어도 하나는, 동작시 작용 평면에서의 동일한 영역 요소가 중복 레이저 광원에 의해 비추어지고, 레이저 모듈에 이웃하게 배치된 레이저 모듈의 레이저 어레이가 중복 레이저 광원을 포함하도록, 중복 레이저 광원으로서 배치된다.
중복 레이저 광원은 작용 평면에서 물체 상의 의도되지 않은 비춤 갭(illumination gap)들을 생기게 할 수 있는 레이저 모듈들의 가능성이 있는 오정렬을 상쇄하기 위해 배치된다. 그러므로 그 중복은 부분적일 수 있다.
레이저 어레이들은 각각 작용 평면에서 하나의 픽셀을 비출 수 있다. 중복 레이저 광원으로서 배치되는 레이저 어레이는 이웃하는 레이저 모듈의 레이저 어레이와 동일한 픽셀의 부분 또는 동일한 픽셀을 비추기 위해 배치될 수 있다. 이는 레이저 어레이들 모두가 시간상 동일한 순간에 작용 평면에서 동일한 영역 요소를 비출 수 있다는 점을 의미한다. 또는 중복 레이저 광원이 이웃하는 레이저 모듈의 레이저 어레이와 동일한 영역 요소이지만 시간상 더 나중에 또는 더 일직 비추도록 배치될 수 있다. 중복 광원의 광은, 예를 들면 시각(t1)에서 작용 평면에서의 물체의 하나의 영역 요소를 비출 수 있고, 이웃하는 레이저 모듈의 레이저 어레이는 레이저 모듈들에 대한 물체의 움직임 때문에, t1보다 나중인 t2에서 동일한 영역 요소를 비출 수 있다. 물체의 움직임, 레이저 모듈들의 움직임 또는 물체와 레이저 모듈들의 움직임에 의한 상대적 움직임이 생길 수 있다. 물체의 규정된 영역 요소에 제공되는 총 강도는, 중복 레이저 광원이 필요하지 않는 완벽하게 정렬된 레이저 모듈의 경우에서처럼, 본질적으로 영역 요소마다 동일한 에너지가 제공되도록 조정되어야 한다. 영역 요소마다 제공되는 에너지는 그러한 물체에서의 결점들이 회피되도록 조정되어야 한다. 비추어진 영역들 사이에 완벽한 매치(match)가 존재한다면 이웃하는 레이저 모듈의 레이저 어레이나 중복 레이저 광원만이 사용될 수 있다. 또는, 레이저 모듈에 관한 물체의 상대 속도에 조정된 강도가 조정될 수 있는 조정된 강도(예컨대, 50%의 강도)를 가지고 둘 다 사용될 수 있다. 너무 많거나 너무 적은 에너지가 제공되는 것을 피하기 위해, 비추어진 영역 요소들 사이에 완벽한 매치가 존재하지 않는다면(예컨대, 오정렬로 인해 절반만 중복됨), 제공된 레이저광의 조정이 중요할 수 있다.
종속항 2 내지 13에서 설명된 것과 같은 기술적인 조치와 해당 설명은 위에서 설명한 것과 같은 중복 레이저 광원과 결합될 수 있다.
작용 평면에서 적어도 하나의 규정된 영역 요소에 제공되는 총 에너지는, 중복 레이저 광원 없이 정렬된 레이저 모듈들의 경우에서처럼 영역 요소마다 동일한 에너지가 본질적으로 제공되도록 정해질 수 있다.
또한, 작용 평면에서 적어도 하나의 규정된 영역 요소에 제공되는 총 에너지는, 레이저 어레이에 의해 적어도 하나의 규정된 영역 요소를 비추는 것과 대응하는 중복 레이저 광원 사이의 시간 오프셋(t2-t1)이 없는 경우에서처럼, 영역 요소마다 본질적으로 동일한 에너지가 제공되도록 정해질 수 있다.
레이저 어레이 및/또는 대응하는 중복 레이저 광원의 조정된 강도는, 시각(t1)에서는 레이저 어레이에 의해 비추어지고, 시각 t2에서는 중복 레이저 광원에 의해 비추어지는, 또는 그 역도 성립하는 작용 평면에서 규정된 영역 요소의 대응하는 중복 광원에 의해 비추어지는 것과, 레이저 어레이에 의해 비추어지는 것 사이의 시간에서의 에너지 손실이 보상되도록 정해질 수 있다.
레이저 어레이 및/또는 대응하는 중복 레이저 광원의 조정된 강도는 3D 프린팅을 위해 사용된 빌딩 재료(building material)에 따라 선택될 수 있다.
중복 레이저 광원을 포함하는, 주장되지 않은 레이저 시스템에서는 단일 레이저들로서 레이저 광원이 전술한 바와 같은 레이저 어레이들 대신 사용될 수 있다. 종속 청구항 2 내지 15에서 설명된 것과 같은 기술적인 조치와 해당하는 설명은, 만약 적용 가능하다면 단일 레이저들(레이저 어레이들 대신)을 포함하는 레이저 시스템에서 중복 레이저 광원과 결합될 수 있다.
하나의 픽셀은 동시에 레이저 어레이의 다수의 반도체 층들에 의해 비추어질 수 있고, 반도체 층들의 총 개수는 미리 정해진 개수의 반도체 층들보다 적지 않은 것이 미리 정해진 오차 허용도 값 내에서만 레이저 어레이의 출력 파워를 감소시키도록 정해질 수 있다. 이는 반도체 층들의 작용 수명(working life)에 관한 요구 조건이 불필요하게 증가하는 것을 피한다.
레이저 모듈은 그러한 레이저 모듈과 연관된 단일 광학 소자를 사용하는 적어도 2개, 더 바람직하게는 4, 8, 16, 32, 64 또는 그 이상의 픽셀을 비추도록 구성될 수 있다.
레이저 모듈과 연관된 광학 소자는 2개의 마주보는 측(side)에서 끝이 잘려지는 원형의 또는 회전 가능하게 대칭적인 윤곽으로부터 얻어진 외부 윤곽을 가질 수 있고, 그러한 마주보는 측들은 움직임 방향에 수직인 방향으로 배향되는 것이 바람직한 축을 따라 서로에 관해 정렬된다. 이를 통해, 움직임 방향으로 지그재그 모양을 가지는 복수의 모듈을 포함하는 조명 유닛의 소형의 설계(compact design)가 이루어질 수 있다.
비추기 위해 사용되지 않는 레이저 어레이 또는 반도체 층이 작용 평면에 열을 제공하기 위해 사용되는 방식으로, 레이저 어레이나 반도체 층들을 개별적으로 제어하는 제어 장치가 제공될 수 있다.
비추기 위해 사용되지 않는 레이저 어레이 또는 반도체 층은, 비추기 위해 사용되는 레이저 어레이 또는 반도체 층보다 낮은 파워로 작동될 수 있다.
레이저 어레이의 출력 파워가 반도체 층들의 하나 이상의 하위그룹(sub-group)이나 하나 이상의 반도체 층을 스위칭 오프(switching off)함으로써 제어 가능하도록, 레이저 어레이의 적어도 2개의 반도체 층 또는 하나의 레이저 어레이의 반도체 층들의 적어도 2개의 하위그룹이 개별적으로 다루어질 수 있다. 이는 빌딩 재료의 용융 또는 소결 없이 가열을 위해 레이저 어레이를 사용하는 것 또는 중복 레이저 광원의 경우에 요구되는 강도를 제공하는 것처럼, 각각의 레이저 어레이를 가지고 다양한 기능을 행하는 것을 허용한다.
어레이의 외부 윤곽이 실질적으로 다각형 모양, 바람직하게는 실질적으로 육각형 모양을 가지도록, 어레이를 형성하는 복수의 반도체 층이 배열될 수 있다. 그러한 설계를 가지는 경우, 어레이의 강도 분포는 예리한 가장자리가 거의 없다.
또 다른 양태에 따르면, 3D 프린팅 시스템은 재료의 층들을 위한 지지체(support)를 포함하는 프로세스 챔버를 포함하고, 이 경우 레이저 모듈들은 그러한 프로세스 챔버에 배치되며, 지지체를 향하는 레이저 모듈들의 측에는 보호 장치가 바람직하게 배치된다.
보호 장치는 레이저 광에 관해 투명한 적어도 하나의 플레이트, 바람직하게는 적어도 하나의 유리 플레이트로 형성될 수 있다. 보호 장치는 광학 소자와 광원을 보호하고, 레이저 모듈에 수증기와 응축액이 없게 유지시킨다.
적어도 지지체 쪽으로 배향된 보호 장치의 표면의 온도를 제어하는 온도 제어 장치가 제공될 수 있다.
이러한 온도 제어 장치는 작용 평면에서의 재료로부터 보호 장치까지의 열 방사가 거의 방지되고, 비추는 유닛 내로의 열 수송이 가능한 양호하게 방지되도록, 보호 장치를 가열하도록 구성될 수 있다.
3D 레이저 프린팅 시스템은 레이저 모듈을 사용하여 각 층에 형성될 물건(article)의 단면에 대응하는 위치에서의 층에 의해 재료 층을 응고시키도록 구성될 수 있다.
재료는 분말(powder)일 수 있다.
층 모듈은 비추는 유닛을 형성하고, 그러한 비추는 유닛은 작용 평면을 가로질러 움직이도록 구성될 수 있다.
하나의 레이저 어레이가 단일 반도체 층을 포함할 수 있지만, 적어도 2개의 반도체 층을 포함할 수 있다.
반도체 층들은 VCSELs(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) 및/또는 VECSELs(Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 레이저 프린팅의 방법이 제공된다. 이러한 방법은
- 레이저 모듈에 대해 작용 평면에서 물체를 움직이는 단계;
- 반도체 층들의 적어도 2개의 레이저 어레이와 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 레이저 모듈에 의해 레이저 광을 방출하는 단계; 및
- 하나의 레이저 어레이의 반도체 층들의 레이저 광이 작용 평면에서 하나의 픽셀에 이미지화되도록, 광학 소자를 통해 레이저 어레이들에 의해 방출된 레이저 광이 이미지화되는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 적어도 2개의 반도체 레이저에 의해 픽셀의 영역 요소가 비추어진다.
이러한 방법은 작용 평면에서의 더 균질한 강도 분포를 가능하게 할 수 있다.
이러한 방법은 작용 평면에 평행한 기준 평면에 수직으로 레이저 모듈(들)을 움직이는 추가 단계를 포함할 수 있다. 기준 평면에 대해 수직으로 움직이는 것은 서로에 대해 평행한 상이한 작용 평면들을 가능하게 한다.
또 다른 양태에 따르면, 이러한 방법에서 사용된 레이저 프린팅 시스템은 첨가 제작을 위한 3D 프린팅 시스템이고, 작용 평면에서 물체의 움직임 방향에 수직인 열들에서 배치되는 2개, 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 모듈이 사용되며, 그러한 열들은 물체의 제1 영역을 비추기 위해 레이저 모듈들의 제1 열의 제1 레이저 모듈이 조정되고, 물체의 제2 영역을 비추기 위해 레이저 모듈들의 제2 열의 제2 레이저 모듈이 조정되도록 서로에 대해 지그재그 모양으로 배치되어 있으며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 제1 영역이 제2 영역에 인접하게 되어 있다.
예컨대, 용융이나 소결과 같이 반도체 레이저들에 의해 방출된 방사의 영향하에 변형이 이루어지는 분말 재료가 이러한 방법에서 사용될 수 있다.
이러한 방법은 작용 영역에 걸쳐 조명 유닛을 움직이는 단계를 더 포함할 수 있다.
청구항 1의 레이저 프린팅 시스템과 청구항 33의 방법이, 특히 종속 청구항들에서 규정된 것처럼, 비슷한 및/또는 동일한 실시예를 가진다는 점이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 또한, 각각의 독립 청구항과 종속 청구항의 임의의 조합일 수 있음이 이해될 것이다. 특히, 본 발명의 방법은 제1 항 내지 제32 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 프린팅 시스템으로 행해질 수 있다.
추가적인 유리한 실시예가 아래에서 규정된다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 이후 설명되는 실시예를 참조함으로써 분명해지고 명료해진다.
이제, 본 발명이 첨부 도면을 참조하는 실시예를 기반으로 예를 통해 설명된다.
도 1은 제1 레이저 프린팅 시스템의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 2는 제1 레이저 프린팅 시스템의 섹션(section)을 도시하는 도면.
도 3은 제2 레이저 프린팅 시스템의 섹션의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 4는 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈에서의 레이저 어레이들의 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 5는 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈의 제1 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 6은 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈들의 제2 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 7은 도 6에 도시된 레이저 모듈들의 배치에서 모든 제2 픽셀이 떨어져 나간 통합된 강도 프로필을 도시하는 도면.
도 8은 도 6에 도시된 레이저 모듈들의 배치에서 온/오프 스위칭된 픽셀들의 임의의 패턴을 갖는 통합된 강도 프로필을 도시하는 도면.
도 9는 레이저 프린팅의 방법의 방법 단계들의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 10은 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈들의 제3 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 11은 첨가 제작을 위한 3D 프린팅 시스템의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 12는 첨가 제작을 위한 3D 프린팅 시스템의 상면도(top view)의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 13은 작용 평면에서의 각각 연관된 프린팅 영역들과 레이저 모듈들의 제1 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 14는 레이저 모듈과 연관된 광학 소자의 실시예의 주요 스캐치를 도시하는 도면.
도 15는 레이저 광원들의 어레이에서 레이저 광원들의 또 다른 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 16a는 어레이의 연관된 통합된 강도 프로필과, 하나의 어레이에서의 레이저 광원들의 배치의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 16b는 온/오프 스위칭된 픽셀들의 패턴과 연관된 통합된 강도 프로필을 갖는, 도 4에 도시된 것과 같은 레이저 모듈에서의 도 16a에 따른 레이저 어레이들의 배치를 도시하는 도면.
도 17a는 도 15와 비슷한 어레이에서 레이저 광원들의 배치와 어레이의 연관된 통합된 강도 프로필의 주요 스케치를 도시하는 도면.
도 17b는 온/오프 스위칭된 픽셀들의 패턴과 연관된 통합된 강도 프로필을 갖는, 도 4에 도시된 것과 같은 레이저 모듈에서의 도 17a에 따른 레이저 어레이들의 배치를 도시하는 도면.
도면에서, 같은 숫자들은 처음부터 끝까지 같은 물체를 가리킨다. 도면에서의 물체는 반드시 실제 크기로 그려진 것은 아니다.
이제, 본 발명의 다양한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 제1 레이저 프린팅 시스템(100)의 주요 스케치를 보여준다. 레이저 프린팅 시스템(100)은 반도체 레이저(115)가 있는 2개의 레이저 어레이(110)와 광학 소자(170)를 포함한다. 반도체 층(115)은 반도체 칩에 제공되는 VCSEL들이다. 이 경우 하나의 어레이(110)의 모든 VCSEL(115)은 하나의 칩에 제공된다. 광학 소자(170)는 초점(focal) 거리(f)를 지닌 이미징 렌즈이다. 어레이(110)는 이미징 렌즈에 의해 작용 평면(180)에 산만하게 이미지화되는 그림들의 평면에 수직인 폭(D)을 가진다. 작용 평면(180)에서 폭(D)을 지닌 각 어레이(110)의 흩어지는 이미지의 폭(d)은 작용 평면(180)에서의 픽셀의 폭을 규정한다. 픽셀(d)의 폭은 각각의 어레이의 폭(D)보다 작다. 그러므로 어레이들의 이미지는 축소된다. 작용 평면(180)과, 이미징 렌즈 또는 광학 소자(170) 사이의 거리(b)는 이미징 렌즈의 초점 길이(f)보다 크다. 광학 렌즈(170) 또는 이미징 렌즈는 작용 평면(180)과 함께, 이미징 렌즈의 초점 길이보다 큰 거리(g)에 물체 평면(150)을 규정한다. VCSEL(115)의 발광 표면은, VCSEL(115)의 발광 표면의 어떠한 예리한 돌기부도 제공되지 않도록, 물체 평면에는 배치되지 않고 일정 거리만큼 떨어져 물체 평면 뒤에 배치된다. 물체 평면과 VCSEL(115)의 발광층들 사이의 거리는, 하나의 레이저 어레이(110)의 적어도 2개의 VCSEL(115)의 레이저 광이 하나의 픽셀의 영역 요소를 동시에 비추는 방식으로 선택된다. 도 2는 물체 평면(150)과 관련하여 VCSEL(115)에 의해 방출된 레이저 광의 발산각의 배치를 더 상세히 보여준다. VCSEL(115)의 발산각은 도 2에 도시된 것과 같이 각도(α)에 의해 주어지고, 단일 VCSEL(115)에 의해 방출된 레이저 광의 원뿔체(cone)를 규정한다. 레이저 어레이(110)에서의 VCSEL(115)은 서로에 관해 거리(p)(피치)를 가진다. 피치(p)와 거리(a) 사이의 관계는 다음 조건, 즉
a≥p*(tanα)-1
을 충족시켜야 한다.
레이저 어레이(110)의 VCSEL(115)에 의해 방출된 레이저 광은, 물체 평면(150)에서 레이저 어레이(110)와 동일한 크기를 가진 각 영역이 적어도 2개의 VCSEL(115)에 의해 비추어지도록, 물체 평면(150)에서 중복된다. 그 결과로서 픽셀 크기 d에 의해 규정된 픽셀의 각 영역 요소는, 각각의 레이저 어레이(110)의 적어도 2개의 VCSEL(115)에 의해 이미징 렌즈를 통해 또한 비추어진다. 각 레이저 어레이의 VCSEL(115)들은 나란히 구동되고 따라서 동시에 레이저 광을 방출한다. 픽셀의 크기는
d=M*D
에 의해 주어지고, 여기서 배율(magnification) M은
M=b/g에 의해 주어진다.
작용 평면(180)에서의 레이저 어레이(110)의 이미지는, 작용 평면(180)에서 물체로의 에너지 입력의 균질성을 증가시키고, 단일 VCSEL의 오동작에 관한 신뢰성을 개선하기 위해, 흩어져 있다.
레이저 모듈의 레이저 어레이(110)들과 작용 평면(180) 사이의 총 거리는, 도 3에 도시된 것처럼 레이저 어레이(110)와 결합될 수 있는 마이크로-렌즈 어레이(175)에 의해 증가될 수 있다. 각 VCSEL(115)의 발산각(α)을 감소시키기 위해, 레이저 어레이(110)와 물체 평면(150) 사이에 마이크로-렌즈 어레이(175)가 배치될 수 있다. 거리(a)와 그로 말미암은 작용 평면(150)까지의 총 거리는, 만약 VCSEL(115)의 피치가 동일하게 유지된다면, 조건 a≥p*(tanα)-1을 충족시키기 위해 증가되어야 한다.
도 2에 관해 논의된 조건의 개선은 원형 구멍이 있는 VCSEL(115)들의 경우에 VCSEL(115)의 액티브(active) 직경(v)을 고려함으로써 이루어질 수 있다. 액티브 직경(v)은 액티브 층의 발광 영역의 직경에 대응한다. 액티브 직경(v), 피치(p), 및 거리 사이의 관계는 이러한 개선된 실시예에서, 다음 조건, 즉
a≥(p-v)*(2tanα)-1
을 충족시켜야 한다.
도 4는 레이저 프린팅 시스템(100)의 레이저 모듈에서 레이저 어레이(110)들의 배치의 주요 스케치를 보여준다. 레이저 또는 VCSEL(110) 어레이(10)는 2차(quadratic) 형식이 아니고 직사각형이며, 그러한 직사각형의 긴 변이 물체의 움직임 방향으로 배치된다(도 5 참조). 이는 옆 방향에서의 해상도를 감소시키지 않고, 픽셀마다 더 높은 총 파워를 허용한다. VCSEL(110) 어레이(10)는 또한 서로에 관해 약간 이동되는 2개의 열에 배치된다(캐스캐이드되거나 지그재그 모양의 배치). 이는 물체의 VCSEL의 열들의 방향에 수직으로 움직인다면, 그러한 물체의 영역 요소들을 비추는 것에 관해 규정된 중목을 가능하게 한다.
도 5는 레이저 프린팅 시스템(100)의 레이저 모듈들의 제1 배치의 주요 스케치를 보여준다. 레이저 모듈들은 도 4에 도시된 것과 같은 레이저 어레이(100)들의 지그재그 모양 또는 캐스캐이드된 배치와 광학 소자(170)를 포함한다. 이러한 광학 소자(170)는 각각의 레이저 모듈들의 모든 레이저 어레이(110)를 레이저 프린팅 시스템(100)의 작용 평면(180)에 이미지화된다. 광학 소자(170)는 각각의 레이저 모듈의 레이저 어레이(110)들의 배열의 폭이 하나의 레이저 모듈의 프린팅 폭(y)을 규정하는 레이저 모듈의 총 크기(Y)를 규정한다. 레이저 모듈들은 서로에 대해 평행한 열로 배열되고, 그럴 경우 물체가 레이저 모듈들에 대해 방향(250)으로 움직인다면, 작용 평면(180)에서 연속적인 영역이 비추어질 수 있도록, 각 열이 이동된다. 그러므로 프린팅 영역은 단일 레이저 모듈의 크기(Y)와 프린팅 폭(y)과는 관계없이 작용 평면에서 물체의 크기에 적합하게 될 수 있다. 작용 평면(180)에서 움직이는 물체를 지속적으로 비추기 위해 필요한 열들의 개수는 레이저 모듈들의 크기(Y)와 프린팅 폭(y)에 의존한다. 하나의 열 내의 레이저 모듈들은 적어도 N=Y/y 열이 필요하도록, 적어도 거리(Y)에 의해 분리된다. 캐스캐이드된 광학 소자(170)는, 예컨대 유리 몰딩(glass molding)에 의해 단일 조각(piece)으로서 제작될 수 있다. 대안적으로, 렌즈 배열은 액티브 또는 패시브 정렬에 의해 개별 렌즈로부터 조립될 수 있다.
도 6은 레이저 프린팅 시스템의 레이저 모듈들의 제2 배치의 주요 스케치를 보여준다. 이러한 배치는 도 5에 관해 논의된 배치와 매우 유사하다. 레이저 모듈들의 레이저 어레이(110)는 레이저 모듈들에 대한 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 방향에 관해 기울어져 있다(그것들의 중심 주위로 회전된). 이는 특히 픽셀들이 서로에 관해 약간 오정렬된다면, 총 강도 분포의 균질성을 개선하기 위해, 인접한 픽셀들과 중복될 수도 있는, 도 7과 도 8에 도시된 것과 같은 평탄한 경사면을 갖는 통합된 강도 프로필을 가능하게 한다.
도 7은 도 6에 도시된 레이저 모듈들의 배치시 모든 제2 픽셀이 오프된 레이저 모듈들에 대한 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 방향(610)에서의 통합된 강도 프로필을 보여준다. 픽셀 프로필은 인접하는 픽셀들과 중복하는 큰 경사면을 갖는, 거의 삼각형인 모양을 가진다. 도 8은 도 6에 도시된 레이저 모듈들의 배열시 온/오프 스위칭된 픽셀의 임의의 패턴을 갖는 통합된 강도 프로필을 보여준다. 숫자 "1" 또는 "0"은 인접하는 레이저 어레이(10) 중 어느 것이 스위칭 온 또는 스위칭 오프되는지를 가리킨다. 통합된 강도 프로필은 작용 평면(180)에서 2개 이상의 이웃하는 픽셀의 중복을 보여준다.
도 9는 레이저 프린팅법의 방법 단계들의 주요 스케치를 보여준다. 단계들의 도시된 순서는 그러한 방법을 실행하는 동안 동일한 순서를 반드시 의미하는 것은 아니다. 방법 단계들은 상이한 순서로 또는 동시에 실행될 수 있다. 단계(910)에서, 종이의 한 시트(sheet)와 같은 물체는 레이저 모듈에 대한 레이저 프린팅 시스템의 작용 평면에서 움직여진다. 단계(920)에서, 레이저 광은 반도체 레이저들의 적어도 2개의 레이저 어레이와 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 레이저 모듈에 의해 방출된다. 단계(930)에서는, 하나의 레이저 어레이의 반도체 레이저들의 레이저 광이 작용 평면에서 하나의 픽셀에 이미지화되고, 그러한 픽셀의 영역 요소는 적어도 2개의 반도체 레이저에 의해 비추어진다. 물체는 움직여질 수 있고, 동시에 레이저 어레이들의 레이저 광이 방출될 수 있으며 작용 평면에 이미지화될 수 있다.
개별적으로 다룰 수 있는 레이저들 또는 레이저 어레이들을 사용할 때에는, 하나의 라인을 따라 모든 개별 픽셀에 동시에, 즉 픽셀마다 개별 레이저 또는 레이저 어레이에 의해, 기입이 이루어질 수 있을 때 3D 프린팅 프로세스에서의 최대 속도가 얻어질 수 있다. 레이저 프린팅 시스템이나 기계에서의 전형적인 라인 폭들은 30㎝ 이상의 크기를 가진다. 반면에, 개별적으로 다루어질 수 있는 레이저들이나 레이저 어레이들의 레이저 모듈의 프린팅 폭 또는 크기는 수 ㎝로 제한된다. 이들 레이저 모듈은 보통 레이저 모듈들이 배치되는 하나의 마이크로-채널 냉각기(micro-channel cooler)에 대응한다.
그러므로 다수의 레이저 모듈과 대응하는 마이크로-채널 냉각기를 사용하고, 그것들을 함께 완전한 레이저 프린팅 모듈이나 프린팅 헤드로 쌓아 올리는 것이 필수적이다. 레이저 모듈들을 갖는 이웃하는 마이크로-채널 냉각기들 사이의 정렬 오차 허용도는 어떠한 레이저 광도 제공될 수 없거나 충분하지 않은 레이저 광이 제공될 수 있는 작용 평면(180)에서의 갭(gap)을 가져올 수 있다. 최악의 경우, 그러한 갭이 3D 프린터/추가적인 제작 기계에 의해 만들어진 부분들에서 또는 열등한 품질을 가지고 프린팅된 시트들과 같은 물체의 처리에 관한 결점의 원인이 된다.
116㎛ 내지 100㎛인 레이저 광원의 전형적인 크기와, 여러 개의 정렬 오차 헝요도가 함께 합해진다는 사실을 고려하면, 갭의 문제는 심각한 문제이다. 레이저 프린팅 시스템을 조립하는 각 개별 단계에서의 타이트(tight)한 오차 허용도를 가지고도, 전반적인 오차 허용도 체인(chain)이 30㎛ 이상의 상당한 편차를 생기게 할 수 있다.
이 점에서는, 중복되는 강도 분포를 제공하는 것뿐만 아니라, 각 레이저 모듈의 가장자리에서 추가적인 레이저 광원(116)을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 상기 레이저 광원(116)은 또한 중복 레이저 광원(117)이라고 불리고, 이들은 그러한 중복 레이저 광원(117)들의 광이 이웃하는 레이저 모듈의 레이저 광원(116)들의 광과 중복되도록 배치된다. 이는 이웃하는 레이저 모듈들 사이의 피치가 레이저 모듈의 총 프린팅 폭을 적어도 하나의 레이저 광원(16)의 폭으로 나눈 것보다 작다는 것을 의미한다(예컨대, 100㎛).
이웃하는 레이저 모듈들의 기계적/광학적 정렬로부터의 최대 오차 허용도가 하나의 레이저 광원(116)의 폭보다 작다면, 어떠한 레이저 광도 제공될 수 없는 작용 평면에서의 갭을 피하기 위해, 설계에 의해, 하나의 레이저 광원(116)의 중복을 가지는 것으로 충분하다. 여하튼, 다르게는 이웃하는 레이저 모듈들의 기계적/광학적 정렬로부터의 최대 오차 허용도가 하나의 레이저 광원(116)의 폭보다 크다면, 하나의 중복 레이저 광원(117)보다 많이 제공하는 것이 가능할 수 있다. 이 경우에서는 이웃하는 레이저 모듈들 사이의 갭의 폭에 따라, 중복 레이저 광원(117)을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 이 경우, 레이저 프린팅 시스템은, 중복 레이저 광원(117)이 레이저 모듈들 사이의 의도되지 않은 갭을 채우도록 조정될 수 있다. 하나의 레이저 광원(116)의 폭과 갭들에 따라서, 작용 평면의 지속적인, 즉 끊김 없이 비추는 것을 가능하게 하기 위해, 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 중복 레이저 광원(117)이 사용되는 경우가 있을 수 있다.
도 10은 서로에 관해 레이저 서브-모듈(120)의 잠재적인 오정렬을 보상하기 위해, 레이저 서브-모듈(120)인 이웃하는 레이저 모듈들의 중복 배치로 배열되는 중복 레이저 광원(117)들이 있는 배치의 일 실시예를 보여준다. 중복 레이저 광원(117)은 선(line) 패턴에 의해 표시된다.
이웃하는 레이저 서브-모듈(120)의 프린팅 폭은 완전한 하나의 레이저 광원(116)이나 좀 더 분명한 중복 레이저 광원(117)에 의해 중복된다. 레이저 광원(116)은 이전 실시예와는 달리 단일 레이저만을 포함하거나, 이전 실시예들에 따라 레이저 어레이(110)들과 같은 레이저 어레이를 포함할 수 있다. 단일 레이저들은 마이크로-렌즈와 같은 광학 소자들을 포함할 수 있다. 레이저 어레이들의 경우, 마이크로-렌즈 어레이들이 포함될 수 있다. 레이저 서브 모듈(120)들의 배열은 도 5에 도시된 배열과 비슷하다. 도 5에 도시된 레이저 모듈들은, 작용 평면(180)에서의 영역 요소 또는 전용 픽셀을 각 레이저 어레이(110)가 비추도록 배열된다. 도 10에 도시된 것과 같은 레이저 서브 모듈(120)은, 조립하는 동안 정렬 에러가 없는 경우, 중복 레이저 광원(117)이 작용 평면(180)에서 이웃하는 레이저 서브-모듈(120)의 레이저 광원(116)과 동일한 영역 요소를 비출 수 있도록, 중복 레이저 광원(117)이 조정된다.
도 11 및 도 12는 첨가 제작을 위한 3D 프린팅 시스템의 일 실시예를 개략적으로 보여준다. 도 11을 참조하면, 3D 프린팅 시스템은 빌딩 재료와 그 위에 만들 3차원 물건(article)을 운반하기 위한 지지체(400)가 있는 프로세스 챔버(300)를 포함한다. 지지체(400) 상에는 빌딩 프로세스가 완료된 후, 3차원 물건(500)을 제거하기 위한 제거 가능한 베이스(base)로서의 역할을 하는 빌딩 플랫폼(450)이 제공될 수 있다. 빌딩 플랫폼(450)은 또한 생략될 수 있음을 주목하라. 수직 벽들과 같은 경계 구조물(470)이 지지체(400) 둘레에 배치될 수 있어, 지지체(400) 상의 빌딩 재료의 층들을 제한한다. 경계 구조물은 제거 가능한 프레임으로서 배치될 수 있고, 이러한 제거 가능한 프레임은 빌딩 플랫폼(450)과 비슷하게 지지체(400)에 제거 가능하게 부착되는 수직으로 움직일 수 있는 베이스를 포함할 수 있다. 도 12에 예시된 것처럼, 빌딩 영역(480)은 경계 구조물(470)에 의해 규정될 수 있다. 빌딩 영역(480)은 도 12에 도시된 것과 같은 직사각형 윤곽을 가지거나, 정사각형 모양으로 제한되지 않는 임의의 다른 윤곽 또는 원형 윤곽을 가질 수 있다.
지지체(400) 위에는, 조명 유닛(700)이 배치된다. 바람직하게, 조명 유닛(700)은 이 실시예에서 움직임 방향(250)인, 도 12에서의 화살표에 의해 표시된 방향으로 빌딩 영역(480)을 가로질러 움직일 수 있다. 조명 유닛(700)은 반대 방향으로 뒤로 움직여질 수 있도록 구성될 수 있다. 뒤로의 움직임 동안 조명 유닛(700)은 스위칭 온 또는 스위칭 오프될 수 있다.
지지체(400)는 수직 방향으로, 즉 조명 유닛(700)의 움직임 방향(250)에 수직인 방향으로, 조명 유닛에 대해 위와 아래로 움직여질 수 있다. 지지체(400)는 빌딩 재료의 가장 위층이 작용 영역(180)을 형성하는 방식으로 제어된다.
3D 레이저 프린팅 시스템은 또한 3D 프린팅 시스템의 다양한 기능을 제어하기 위한 제어 시스템(800)을 포함한다. 재코팅(recoating) 장치(미도시)가 빌딩 플랫폼(450) 또는 지지체(400) 또는 제거 가능한 프레임(미도시)의 움직일 수 있는 베이스 상으로 빌딩 재료의 층을 인가하기 위해 제공될 수 있다. 더욱이, 빌딩 재료의 인가된 층을 프로세스 온도까지 가열 및/또는 필요시 경계 구조물(470)에서의 빌딩 재료의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 별개의 가열 장치(들)(미도시)가 제공될 수 있다.
빌딩 재료는 바람직하게는 레이저 광원들에 의해 가간섭성 덩어리(coherent mass)로 방출된 레이저 광의 영향하에 변형하도록 구성되는 분말 재료이다. 변형은 예를 들면 용융 또는 소결을 포함할 수 있고, 그로 인해 생기는 용융물(melt)에서의 응고 및/또는 중합(polymerization)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 빌딩 재료는 열가소성 분말과 같은 플라스틱 분말이다. 그러한 플라스틱 분말의 예에는 PA12(폴리아미드 12) 또는 다른 폴리아미드들, PEEK와 같은 폴리아릴에테르에테르케톤 또는 다른 폴리에테르케톤들이 있다. 분말은 또한 금속 또는 플라스틱이나 금속 결합체(metal binder)가 있거나 없는 금속 합금, 또는 세라믹 또는 합성물(composite) 또는 다른 종류의 분말로부터의 분말일 수 있다. 일반적으로, 반도체 층들에 의해 방출된 레이저 광의 영향하에 가간섭성 덩어리로 변형하는 능력을 가지는 모든 분말 재료가 사용될 수 있다. 빌딩 재료는 또한 분말과 일정량의 액체를 포함하는 페이스트(paste)와 같은 재료일 수 있다. 분말의 전형적인 매체 낟알 크기(grain size)는 ISO 13320-1에 따른 레이저 회절을 사용하여 측정된, 10㎛ 이하와 100㎛ 사이에 있다.
레이저 광원들의 전형적인 파장은, 흡수체(분말 재료로의 레이저 광 흡수 첨가제)와 함께 바람직하게는 980㎚ 또는 808㎚이지만, 예컨대 카본 블랙(Carbon Black)에 제한되지 않고, 선택된 파장의 충분한 흡수를 가능하게 하기에 적합하다. 원칙적으로는 분말 재료에 적합한 흡수체 재료가 추가될 수 있는 한, 어떠한 파장도 가능하다. 분말 층들의 전형적인 층 두께는, 특히 플라스틱 분말의 경우에는 약 10㎛와 약 300㎛ 사이의 범위를 가질 수 있고, 특히 금속 분말의 경우에는 약 1㎛와 약 100㎛ 사이의 범위를 가질 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하여 조명 유닛(700)이 더 상세히 설명된다. 도 13은 작용 평면(180)에서 광학 소자들을 지닌 레이저 모듈들에 의해 만들어진 축소화된 이미지와 3개 이상의 열이 도시되어 있다는 차이를 제외하고는 도 5의 것과 비슷한 레이저 모듈의 배열을 보여준다. 도 13은 사시도로서 간주되는 것이 아니고 오직 모듈들의 배치와 대응하는 축소된 이미지를 도시하는 개략적인 스케치로서 간주된다. 도 13에 개략적으로 도시된 것처럼, 조명 유닛(700)은 움직임 방향(250)에 수직인 열로 배치된 복수의 레이저 모듈(200)을 포함한다. 도 5 및 도 6에서와 같이, 레이저 모듈들의 열은 레이저 모듈들의 제1 열(c1)의 제1 레이저 모듈(2001)이 작용 평면(180)에서 분말의 제1 영역(y1)을 비추게 조정되도록 서로에 대해 지그재그 모양으로 배열된다. 레이저 모듈들의 제2 열(c2)의 제2 모듈(2002)은, 물체의 연속적으로, 즉 지속적으로 비추는 것이 가능하게 되도록 제1 영역(y1)이 제2 영역(y2)에 인접한 작용 평면(180)에서 분말의 제2 영역(y2)을 비추도록 조정된다. 이를 통해, 작용 평면(180)에서 비추어진 영역(y1, y2)은 움직임 방향에 수직인 방향으로 연속된 영역을 형성한다. 도 13에 추가로 도시된 것처럼, 움직임 방향(250)으로 지그재그 모양으로 배열되는 레이저 모듈들이 캐스캐이드(cascade)들을 형성한다. 제1 캐스캐이드(k1)는 열들의 제1 레이저 모듈들(2001, 2002, 2003)에 의해 형성된다. 제2 캐스캐이드(k2)는 열들의 제2 레이저 모듈들(2011, 2012, 2013) 등에 의해 형성된다. 캐스캐이드들의 개수는, 움직임 방향(250)에 수직인 방향으로의 개별 프린팅 폭(y)들의 합이 빌딩 영역(480)의 폭을 커버하도록 정해진다. 상이한 빌딩 영역을 가지는 상이한 3D 레이저 프린팅 시스템들의 경우, 캐스캐이드들의 개수는 각각의 빌딩 영역(480)의 상이한 폭들을 커버하도록 쉽게 조정될 수 있다. 반도체 레이저들로서 VCSEL을 사용하는 추가적인 제작을 위한 3D 레이저 프린팅 시스템의 전형적인 예에서는, 하나의 어레이가 예를 들면 VCSEL과 같은, 수백 개의 반도체 레이저를 가질 수 있고, 하나의 모듈은 2×16=32개의 어레이를 포함할 수 있으며, 하나의 캐스캐이드가 9개의 모듈을 포함할 수 있고, 조명 유닛은 예를 들면 3개와 같은 여러 개의 캐스캐이드를 포함할 수 있다. 이는 보통 약 84㎜의 빌딩 영역(480)을 비추는 것을 허용한다. 캐스캐이드마다 적절한 개수의 모듈 그리고 적절한 개수의 캐스캐이드를 선택함으로써 다른 빌딩 영역이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 하나의 단일 광학 소자(170)가 하나의 모듈과 결합되고, 하나의 모듈이 작용 평면에서 16개, 32개 또는 64개의 픽셀을 비추기 위해 바람직하게 사용된다.
다시 도 11을 참조하면, 조명 유닛(700)이 프로세스 챔버 내에 배치되기 때문에, 평균 온도, 온도 구배, 증기, 불활성 기체 흐름과 같은 기체 흐름, 먼지, 빌딩 영역으로부터 생길 수 있는 용융된 재료의 튀김(splash), 빌딩 재료의 변형 프로세스로부터 생기고 프로세스 챔버 등에서 여기저기 돌아다니는 단량체와 같은, 프로세스 챔버(300)에서 존재하는 주변 상태에 조명 유닛(700)이 노출된다. 빌딩 영역 쪽으로 향하는 조명 유닛(700)의 가장 외측 광학 소자와 작용 평면(180) 사이의 거리는 약 5㎜와 약 50㎜ 사이의 범위에 있을 수 있다. 조명 유닛(700)의 이러한 배치는 알려진 레이저-용융 또는 레이저-소결 기계와는 다르다. 조명 유닛(700)을 보호하기 위해, 지지체(400)를 향하는 조명 유닛(700) 측에는 보호 장치(750)가 배치된다. 보호 장치(750)는 레이저 광을 위해 투명한 적어도 하나의 판에 의해 실현될 수 있다. 투명한 판은 조명 장치(700)와 일체로 형성될 수 있다. 특히, 보호 장치(750)는 유리 판일 수 있다. 게다가, 보호 장치(750)는 조명 유닛(700)의 모든 모듈을 보호하는 단일 피스일 수 있거나, 각 모듈마다 하나씩 복수의 피스(piece)로 구성될 수 있다. 보호 장치의 가장 외측 표면과 작용 영역 사이의 거리는, 예를 들면 약 5㎜와 같이 오직 수 밀리미터일 수 있다. 더 일반적으로, n:1의 특정 축소가 의도된다면, 반도체 층들의 레이저 방출부와 가장 외측 광학 소자(광락 경로에서의) 사이의 거리는, 본질적으로 가장 외측의 광학 소자와 작용 영역(180) 사이의 거리의 약 n배일 수 있다.
바람직하게, 보호 장치(750)와 온도 제어 장치(미도시)가 연관될 수 있다. 온도 제어 장치는 다수의(즉, 하나 이상의) 가열 요소의 형태로 실현될 수 있다. 바람직하게, 가열 요소들은 투명한 판 상에, 특히 어떠한 광도 효과적으로 투과되지 않거나 어떠한 광도 투과되도록 의도되지 않는 위치들에서만 배열된다. 더 바람직한 것은 가열 요소들이 지지체(400)로부터 멀어지게 향하는, 즉 조명 유닛(700)의 레이저 광원들 쪽으로 향하는 보호 장치(750) 측 상에 제공된다. 이는 보호 장치의 세정을 촉진하고, 가열 요소들을 닳게 하는 마모(wear)를 감소시킨다. 가열 요소들은 열 도전성 경로의 형태를 가질 수 있다. 특히, 가열 요소들은 보호 장치의 제작 동안 투명한 판에서 증기 증착되거나 제공될 수 있다. 또 다른 수정예에서, 보호 장치(750)는 열 차단(thermal isolation)을 위해 판들 사이에 진공이나 기체가 있는 2개 이상의 유리판의 조립체를 포함할 수 있다. 그러한 설계(design)를 가지고, 조명 유닛(700)의 내부로의 열 흐름이 감소되거나 심지어 방지될 수 있다. 판들의 조립체의 경우, 가열 장치는 인접하는 판 쪽으로 향하는 판의 안쪽에 제공될 수 있고, 특히 그것의 인접하는 판 쪽으로 향하는 가장 외측 판의 한쪽에 제공될 수 있다.
온도 제어 장치는 보호 장치(750)의 온도가 프로세스 온도 아래의 약 수(few) 켈빈(Kelvin)(바람직하게는, 최대 10, 더 바람직하게는 최대 5, 및 가장 바람직하게는 최대 3)과 프로세스 온도 위의 수 켈빈(바람직하게는, 최대 10, 더 바람직하게는 최대 5, 및 가장 바람직하게는 최대 3) 사이의 범위에서 바람직하게 특정 온도까지 조정되는 방식으로, 보호 장치(750)의 온도를 제어한다. 반도체 레이저들의 에너지 소비와 제한된 효율로 인해, 조명 유닛(700)은 냉각되고, 바람직하게는 사용된 빌딩 재료에 따라, 빌딩 재료의 변형 프로세스의 프로세스 온도보다 상당히 낮을 수 있는 온도로 유지된다. 따라서, 빌딩 재료의 층들로부터 조명 유닛(700)가지의 열적 복사(radiation)에 의한 열 손실이 감소되거나 방지된다. 또한, 보호 장치(750)의 표면에서 응축물이 형성되는 것이 감소되거나 회피될 수 있다. 이러한 응축물은 유리판/레이저 윈도우/보호 장치의 투명도를 감소시키고, 따라서 분말 재료의 표면에서 흡수된 레이저 광 에너지의 교란(disturbance) 및/또는 양을 감소시키게 된다. 그 결과, 만들어질 3차원 물건의 품질이 감소한다. 그러므로 온도 제어 장치는 만들어질 3차원 물건의 양호한 품질을 보장한다.
보호 장치(750)의 존재는 이미지 거리, 즉 광학 소자(170)와 작용 평면(180)(도 1 참조) 사이의 거리가 일정한 최소 이미지 거리가 될 것을 요구한다. 필요한 축소로 인해, 물체 거리, 즉 물체 평면(150)과 광학 소자(170) 사이의 거리는 비교적 높다. 각 VCSEL(115)의 발산각(divergence angle)α는, 인접하는 모듈들의 VCSEL-어레이들의 빔 경로가 서로 교차하여, 물체 평면(150)으로의 모듈-와이즈 이미징(module-wise imaging)을 어렵게 만든다는 사실을 초래한다. 이를 피하기 위해, 조명 유닛(700)은 각 모듈에 관해, 도 3에 도시된 것과 같은 마이크로 렌즈 어레이(175)를 포함한다.
바람직하게, 모듈(200)의 레이저 어레이들(110)은 도 14에 도시된 것과 같이 배치된다. 또 다른 바람직한 실시예에서는, 레이저 어레이(110)들의 그러한 배열과 연관된 광학 소자(170)가 마주보는 측에서 끝이 잘린, 원형이거나 회전 대칭인 윤곽으로부터 얻어진 윤곽을 가지고, 이 경우 광학 소자(170)가 마주보는 측들은 움직임 방향(250)에 수직인 방향으로 바람직하게 배향되는 축을 따라 서로에 관해 정렬된다. 더 정확하게는, 도 14에서와 같은 레이저 어레이의 배열의 경우, 광학 소자(170)는 나란한 긴 변(l)들을 연결하는 2개의 마주보는 원형 세그먼트-형상의 짧은 변들을 지닌 수정된 직사각형의 윤곽을 가진다. 이는 원형의 광학 소자가 도 14에 도시된 것과 같은 레이저 어레이들의 직사각형 배열로 완전히 비추어지지 않는다는 점을 고려한다. 따라서, 완전히 비추어지지 않는 원형인 광학 소자의 부분들은 생략될 수 있다. 광학 소자(170)의 모양에 의해, 움직임 방향(250)으로의 모듈의 크기가 감소할 수 있다. 그 결과로서, 움직임 방향(250)으로의 전체 조명 유닛(700)의 크기가 감소할 수 있다. 이는 움직임 방향으로 배향된 라인이 감소된 시간 내에서 비추어질 수 있어, 전체 3D 프린팅 시스템의 생산성을 증대시킨다는 장점을 가진다. 또한, 하나의 캐스캐이드(k1)의 하나의 모듈(2001)과 이웃하는 모듈(2002) 사이 및/또는 하나의 캐스캐이드(k1)의 하나의 모듈(200n)과 이웃하는 캐스캐이드(k2)의 이웃하는 모듈(2011) 사이의 경계에서의 이웃하는 픽셀들은 시간 오프셋이 감소된 채로 비추어질 수 있다. 이는 또한 3차원 물건의 품질을 향상시킨다.
레이저 어레이(110)에서의 VCSEL들의 배열은 강도 프로필을 규정한다. 만약 그러한 배열이 실질적으로 직사각형이라면, 즉 그러한 어레이에서 VCSEL들이 행과 열로 배열된다면, 그러한 어레이의 통합된 강도 프로필(600)은 실질적으로 직사각형인데, 즉 통합된 강도 프로필이 도 16a에 도시된 것과 같은 소위 "플랫 톱(flat top)" 프로필을 가진다. 몇몇 어레이(110)들은 스위칭 온되고 몇몇 어레이들을 스위칭 오프되는 도 4에 따른 모듈에서는, 움직임 방향(250)에 수직인 방향(610)으로 모듈의 통합된 강도가 도 16b에 도시된 것과 같이 되어 있는데, 즉 예리한 가장자리를 가진다(물체 평면(150)이 반도체 레이저들의 액티브 영역과 일치하는 경우).
예리한 가장자리가 없는 통합된 강도 프로필을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이는 하나의 어레이(110)에서의 VCSEL들이 행과 열에 위치하고, 그러한 어레이의 외부 윤곽이 실질적으로 다각형, 특히 실질적으로 육각형인, 도 15에 따른 배열에 의해 이루어질 수 있다. 개별 VCSEL들은 한 열에서부터 그 다음 열까지 지그재그 모양으로 되어 있는 격자점들에 위치하고, 그 경우 열들은 움직임 방향(250)에 수직으로 배향된다. 바람직하게, 어레이의 외부 윤곽은 움직임 방향(250)에 수직으로 연장하는 2개의 마주보는 변(p)을 지닌 육각형 모양을 가진다.
도 17a에 도시된 것처럼, 도 15에 도시된 것과 같은 실질적으로 육각형 모양을 지닌 레이저 어레이의 통합된 강도 프로필(600)은 둥글게 된 가장자리를 가지고, 가우시안(Gaussian) 강도 분포와 비슷하다. 스위칭 온/오프 어레이들을 지닌 레이저 모듈의 경우, 방향(610)을 따라 통합된 강도 프로필(600)은 도 17b에 도시된 것과 같은 둥글게 된 전이부(transition)를 포함한다. 따라서, 강도의 평균값으로부터의 벗어남이 더 작다.
조명 유닛(700)을 가지고, 작용 영역에서의 하나의 픽셀은 레이저 어레이(110)의 다수의 반도체 층들에 의해 동시에 비추어진다. 반도체 층들의 총 개수는, 소정 개수의 반도체 층들보다 작은 파손(failure)이 소정의 오차 허용도 값 내에서만 레이저 어레이(110)의 출력 파워를 감소시키도록 선택될 수 있다. 그 결과, 개별 VCSEL의 수명(working life)에 관한 요구 조건이 대단히 높지 않을 수 있다.
레이저 어레이의 개별 VCSEL은 제어 신호들에 의한 그것들의 처리 능력(addressability)에 관해 하위그룹들로 그룹화될 수 있다. 하위그룹은 적어도 2개의 VCSEL을 포함할 수 있다. 하나의 레이저 어레이의 VCSEL의 적어도 2개의 하위그룹은, 레이저 어레이(110)의 출력 파워, 즉 강도가 VCSEL의 하나 이상의 하위그룹을 스위칭 오프시킴으로써 제어 가능하도록 개별적으로 다루어질 수 있다. 또한, 레이저 어레이의 출력 파워가 개별 반도체 층들을 스위칭 온/오프함으로써 제어될 수 있도록, 하나의 레이저 어레이의 반도체 층들이 개별적으로 다루어질 수 있는 일 실시예가 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 조명 유닛(700)의 반도체 층들 또는 레이저 어레이들이, 조명을 위해 사용되지 않는 반도체 층 또는 레이저 어레이가 작용 평면(180)에서 빌딩 재료에 열을 제공하기 위해 선택적으로 사용될 수 있도록, 추가로 제어될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 조명을 위해 사용되지 않는 레이저 어레이 또는 반도체 층들이 오직 작용 평면에서 빌딩 재료를 가열하도록 빌딩 재료를 변형하기 위해 요구된 것보다 작은 강도로 방출하는 방식으로, 반도체 층들을 개별적으로 제어하거나 레이저 어레이들을 제어하는 제어 장치가 제공된다. 이러한 가열은 전술한 별도의 가열 장치 외에 사용될 수 있거나, 작용(working) 온도까지 빌딩 재료를 예열하는 전용(exclusive) 가열 시스템으로서 사용될 수 있다.
조명 유닛(700)은 도 10을 참조하여 설명된 것처럼, 중복(overlap) 광원(117)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 13에서 열(c1)의 모듈(2001)과 열(c2)의 모듈(2002) 사이와 같이, 하나의 열의 모듈과 이웃하는 열의 이웃하는 모듈 사이 및/또는 예를 들면, 도 13에서 캐스케이드(k1)에서의 모듈(200n)과 캐스케이드(k2)에서의 모듈(2011) 사이와 같이, 하나의 캐스케이드에서의 하나의 모듈에서부터 이웃하는 캐스케이드에서의 이웃하는 모듈까지의 경계에 중복 광원(117)들이 바람직하게 제공된다. 중복 광원(117)은 모듈의 지그재그 모양 배열 및/또는 모듈들의 캐스케이드된 배열로 인한, 움직임 방향(250)에 수직인 인접한 픽셀들의 시간 오프셋으로부터 생기는 에너지 손실의 균형을 잡는다.
중복 광원(117)은 시간 오프셋으로 인한 에너지 손실 및/또는 VCSEL들 또는 어레이들의 오정렬로 인한 에너지 손실들 또는 에너지 과잉이 보상될 수 있는 방식으로 제어될 수 있다. 따라서, 중복 광원(117)에 의해 작용 영역에 제공되는 에너지의 합은 시간 오프셋 제로(zero) 및/또는 완벽하게 정렬된 VCSEL들 또는 어레이들의 경우에 비추기 위해 필요한 에너지가 되도록 조정될 수 있다. 중복하는 VCSEL들 또는 어레이들에 의해 제공된 에너지는 빌딩 재료의 타입에 따라 선택될 수 있다. 영향을 미치는 인자에는 파우더 베드(powder bed)의 열 전도도, 용융된 또는 소결된 덩어리(mass)의 열 전도도, 입자 크기(size) 등이 있을 수 있다.
또 다른 수정예에서는, 조명 유닛의 반도체 레이저들이 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)에 의해 실현된다.
전술한 3D 프린팅 시스템은 다음과 같이 동작한다. 빌딩 재료의 새로운 층들이 작용 평면(180)을 형성하도록, 빌딩 재료의 층들이 지지체(400) 또는 빌딩 플랫폼(450) 또는 이전에 비추어진 층 상으로 계속해서 쌓인다. 그런 다음, 조명 유닛(700)이 움직임 방향(250)으로 빌딩 영역(480)을 가로질러 이동하고, 각 층에서 3차원 물건의 단면에 대응하는 위치들에서의 작용 영역(180)에서 빌딩 재료를 선택적으로 비춘다. 한 층이 비추어진 후에는, 새로운 층이 작용 영역(180)을 형성할 수 있도록, 지지체가 아래쪽으로 움직여진다.
본 발명이 도면과 전술한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 그러한 예시 및 설명은 예시적이거나 전형적인 것으로 간주되어야 하고, 그것들에 국한되는 것은 아니다.
당업자가 본 개시물을 읽음으로써, 다른 수정예가 명백해질 것이다. 그러한 수정예는 관련 분야에 이미 알려져 있고, 본 명세서에서 이미 설명된 특징들 대신 또는 그러한 특징들 외에 사용될 수 있는 다른 특징들을 수반할 수 있다.
당업자가 도면, 개시물, 및 첨부된 청구항을 연구함으로써, 개시된 실시예를 이해할 수 있고 실시할 수 있다. 청구항에서 "포함하는(comprising)"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않고, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수의 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 서로 상이한 종속 청구항에서 일정한 방법(measures)이 나열된다는 단순한 사실은 이들 방법의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 점을 가리키지 않는다.
청구항에서의 임의의 참조 표시(reference sign)가 그러한 청구항의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
100: 레이저 프린팅 시스템 110: 레이저 어레이
115: 반도체 레이저 116: 레이저 광원
117: 중복 레이저 광원 120: 레이저 서브-모듈
150: 물체 평면 170: 광학 소자
175: 마이크로-렌즈 어레이 180: 작용 평면
200, 2001, 2002, 200n, 2011, 2012, 201n: 레이저 모듈
250: 움직임 방향 300: 프로세스 챔버
400: 지지체 450: 빌딩 플랫폼
470: 경계 구조물 480: 작용 영역
500: 3차원 물건 600: 통합된 강도
610: 움직임 방향에 수직인 방향 700: 조명 유닛
750: 보호 장치 800: 제어 유닛
910: 물체의 방법 단계
920: 레이저 광 방출의 방법 단계
930: 레이저 광을 이미지화하는 방법 단계

Claims (38)

  1. 물체를 비추기 위한 레이저 프린팅 시스템(100)으로서,
    상기 물체는 작용 평면(180)에서 상기 레이저 프린팅 시스템(100)의 레이저 모듈에 대해 움직이고, 상기 레이저 모듈은 반도체 레이저(115)의 적어도 2개의 레이저 어레이(110)와, 적어도 하나의 광학 소자(170)를 포함하고,
    상기 광학 소자(170)는 하나의 레이저 어레이(110)의 반도체 레이저(115)의 레이저 광이 상기 레이저 프린팅 시스템(100)의 작용 평면(180)에서 하나의 픽셀에 이미지화되도록, 상기 레이저 어레이(110)가 방출한 레이저 광이 이미지화되도록 조정되고,
    상기 레이저 프린팅 시스템은 첨가 제작(additive manufacturing)을 위한 3D 프린팅 시스템이고,
    2개, 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 모듈이 제공되고, 상기 레이저 모듈은 작용 평면(180)의 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 열에서 배치되며,
    상기 열은 레이저 모듈의 제1 열의 제1 레이저 모듈이 물체의 제1 영역을 비추게 조정되고, 레이저 모듈의 제2 열의 제2 레이저 모듈이 물체의 제2 영역을 비추게 조정되도록, 서로에 관해 지그재그 모양으로 배치되어 있으며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 상기 제1 영역이 상기 제2 영역에 인접한, 레이저 프린팅 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    픽셀의 영역 소자는 적어도 2개의 반도체 레이저(115)에 의해 비추어지는, 레이저 프린팅 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    인접하는 반도체 레이저(115)에 의해 방출된 레이저 광의 원뿔체가 물체 평면(150)에서 중복되도록, 작용 평면(180)에 관한 광학 소자(170)의 물체 평면(150)이 반도체 층(115)의 평면과 일치하지 않는 방식으로, 광학 소자(170)가 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    레이저 모듈은 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 어레이(110)를 포함하는, 레이저 프린팅 시스템.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광학 소자(170)는 상기 작용 평면(180)에 레이저 어레이(110)의 레이저 광이 이미지화되도록 조정되는 하나의 렌즈를 포함하는, 레이저 프린팅 시스템.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광학 소자(170)는 레이저 어레이(110)의 이미지들이 작용 평면(180)에서 중복되도록 조정되는, 레이저 프린팅 시스템.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    레이저 모듈의 레이저 어레이(110)는, 작용 평면(180)에서 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 열들로 배치되고, 상기 열들은 레이저 어레이(110)의 제1 열의 제1 레이저 어레이(110)가 물체의 제1 영역을 비추게 조정되고, 레이저 어레이(110)의 제2 열의 제2 레이저 어레이(110)가 물체의 제2 영역을 비추게 조정되도록, 서로에 관해 지그재그 모양으로 배치되어 있으며, 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 인접한, 레이저 프린팅 시스템.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 어레이(110)는 작용 평면(180)의 물체의 움직임 방향(250)에 평행하게 배치되는 직사각형의 긴 변(side)을 갖는 직사각형인, 레이저 프린팅 시스템.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    레이저 모듈의 열들의 개수는, 레이저 모듈들의 하나의 열에서의 레이저 모듈 사이의 거리가 최소가 되도록 하는 방식으로 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    각 레이저 모듈의 레이저 어레이(110)는, 물체 평면(180)에서 물체의 움직임 방향(250)에 수직으로 배치되는 가늘고 긴 배치의 긴 변을 갖는 가늘고 긴 배치에서 배열되는, 레이저 프린팅 시스템.
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    각 레이저 모듈의 레이저 어레이(110)는, 물체 평면(180)에서 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 방향으로 기울어지게 배치되는 가늘고 긴 배치의 긴 변을 갖는 가늘고 긴 배치에서 배열되는, 레이저 프린팅 시스템.
  12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광학 소자(170)는 상기 작용 평면(180)에서 레이저 어레이(110)의 이미지를 축소하도록 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    각 레이저 어레이(110)는 마이크로-렌즈(micro-lens) 어레이(170)를 포함하고, 상기 마이크로-렌즈 어레이는 반도체 레이저(115)에 의해 방출된 레이저 광의 발산을 떨어뜨리도록 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  14. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    서로 옆에 배치된 적어도 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈을 포함하고, 각 레이저 모듈은 적어도 2개의 레이저 어레이(110)를 포함하고,
    동작시 작용 평면(180)에서 적어도 하나의 규정된 영역 요소가 중복 레이저 광원(117)과, 상기 중복 레이저 광원(117)을 포함하는 레이저 모듈 옆에 배치된 레이저 모듈의 별개인 레이저 어레이(110)에 의해 비추어질 수 있도록, 제1 레이저 모듈 또는 제2 레이저 모듈의 2개의 레이저 어레이(110) 중 적어도 하나가 중복(overlap) 레이저 광원(117)으로서 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    물체의 적어도 하나의 규정된 영역 요소에 제공된 총 에너지의 양은, 중복 레이저 광원(117)이 없이 정렬된 레이저 모듈들의 경우에서처럼, 본질적으로 영역 요소마다 동일한 에너지가 제공되도록 정해지는, 레이저 프린팅 시스템.
  16. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    하나의 픽셀은 레이저 어레이의 다수의 반도체층에 의해 동시에 비추어지고,
    반도체층의 총 개수는, 소정 개수의 반도체 층들보다 작은 파손(failure)이 소정의 오차 허용도 값 내에서만 레이저 어레이의 출력 파워를 감소시키도록 정해지는, 레이저 프린팅 시스템.
  17. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    레이저 모듈은 상기 레이저 모듈과 연관된 하나의 광학 소자를 사용하여 적어도 2개의 픽셀을 비추도록 구성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    레이저 모듈은 상기 레이저 모듈과 연관된 하나의 광학 소자를 사용하여 64개 또는 그 이상의 픽셀을 비추도록 구성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  19. 제7 항에 있어서,
    레이저 모듈과 연관된 광학 소자(170)는 2개의 마주보는 측에서 끝이 잘리는, 원형이거나 회전 대칭인 윤곽으로부터 얻어진 외부 윤곽을 가지고, 상기 마주보는 측은 축을 따라 서로에 관해 정렬되는, 레이저 프린팅 시스템.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 축은 움직임 방향(250)에 수직인 방향으로 배향되는, 레이저 프린팅 시스템.
  21. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    비추기 위해 사용되지 않는 레이저 어레이 또는 반도체 층(115)이 작용 평면(180)에 열을 제공하기 위해 사용되는 방식으로, 반도체 층(115)을 개별적으로 제어하거나 레이저 어레이를 제어하는 제어 장치가 제공되는, 레이저 프린팅 시스템.
  22. 제21 항에 있어서,
    비추기 위해 사용되지 않는 레이저 어레이 또는 반도체 층(115)이, 비추기 위해 사용되는 레이저 어레이 또는 반도체 층(115)보다 낮은 파워로 동작하는, 레이저 프린팅 시스템.
  23. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 어레이(110)의 출력 파워가 하나 이상의 반도체 레이저(115) 또는 반도체 레이저들의 하위그룹(sub-group)을 스위칭 오프함으로써 제어되도록, 하나의 레이저 어레이(110)의 적어도 2개의 반도체 레이저(115) 또는 하나의 레이저 어레이(110)의 반도체 층들의 적어도 2개의 하위그룹이 개별적으로 다루어질 수 있는, 레이저 프린팅 시스템.
  24. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    복수의 반도체 레이저(115)가 어레이(110)를 형성하고, 상기 어레이(110)의 외부 윤곽이 실질적으로 다각형 모양을 가지도록 배열되는, 레이저 프린팅 시스템.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 어레이(110)의 상기 외부 윤곽이 실질적으로 육각형 모양을 가지는, 레이저 프린팅 시스템.
  26. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    재료의 층들을 위한 지지체를 포함하는 프로세스 챔버(300)를 더 포함하고,
    상기 프로세스 챔버에 레이저 모듈들이 배열되는, 레이저 프린팅 시스템.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 지지체를 향하는 레이저 모듈의 측에 보호 장치(750)가 배치되는, 레이저 프린팅 시스템.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 보호 장치는 레이저 광에 대해 투명한 적어도 하나의 판으로 형성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 판은 유리판인, 레이저 프린팅 시스템.
  30. 제27 항에 있어서,
    적어도 지지체 쪽으로 배향된 보호 장치의 표면의 온도를 제어하는 온도 제어 장치가 제공되는, 레이저 프린팅 시스템.
  31. 제30 항에 있어서,
    상기 온도 제어 장치는 작용 평면에서의 재료로부터 보호 장치로의 열적 복사가 실질적으로 방지되게 보호 장치를 가열하도록 구성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  32. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    레이저 프린팅 시스템(100)은 레이저 모듈들을 사용하여 각 층에 형성될 물건의 단면에 해당하는 위치에서 층마다 재료를 응고시키도록 구성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  33. 제32 항에 있어서,
    상기 재료는 분말(powder)인, 레이저 프린팅 시스템.
  34. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 모듈은 조명 유닛(700)을 형성하고, 상기 조명 유닛은 작용 평면을 가로질러 움직이도록 구성되는, 레이저 프린팅 시스템.
  35. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    하나의 레이저 어레이는 적어도 2개의 반도체 층을 포함하는, 레이저 프린팅 시스템.
  36. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    반도체 층은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)인, 레이저 프린팅 시스템.
  37. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    반도체 층은 VECSEL(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)인, 레이저 프린팅 시스템.
  38. 레이저 프린팅 방법으로서,
    - 레이저 모듈에 대해 작용 평면(180)에서 물체를 움직이는 단계;
    - 반도체 층(115)의 적어도 2개의 레이저 어레이(110)와 적어도 하나의 광학 소자(170)를 포함하는 레이저 모듈에 의해 레이저 광을 방출하는 단계; 및
    - 하나의 레이저 어레이(110)의 반도체 레이저(115)의 레이저 광이 작용 평면(180)에서 하나의 픽셀에 이미지화되도록, 광학 소자(170)를 통한 레이저 어레이(110)에 의해 방출된 레이저 광을 이미지화하는 단계를 포함하고,
    레이저 프린팅 시스템(100)은 추가적인 제작을 위한 3D 프린팅 시스템이고,
    상기 작용 평면(180)에서 상기 물체의 움직임 방향(250)에 수직인 열로 배열되는 2개, 3개, 4개, 또는 다수의 레이저 모듈이 사용되고,
    레이저 모듈의 제1 열의 제1 레이저 모듈이 상기 물체의 제1 영역을 비추도록 조정되고, 레이저 모듈의 제2 열의 제2 레이저 모듈이 상기 물체의 제2 영역을 비추도록 조정되게, 상기 열이 서로에 대해 지그재그 모양으로 배치되고,
    상기 물체를 지속적으로 비추는 것이 가능하도록, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역에 인접하는, 레이저 프린팅 방법.
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