KR20210104062A - 2차원 인쇄를 위해 펄스 변조 레이저를 사용하는 적층 제조 시스템 - Google Patents

2차원 인쇄를 위해 펄스 변조 레이저를 사용하는 적층 제조 시스템 Download PDF

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KR20210104062A
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additive manufacturing
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KR1020217019167A
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앤드류 제이. 바이라미안
제임스 에이. 데무스
닝 두안무
이유 쉔
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쇠라 테크널러지스 인코포레이티드
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Abstract

적층 제조 방법이 개시된다. 방법은 분말 베드를 제공하는 단계 및 하나 이상의 펄스들로 구성되고 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스열을 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융 및 융합하는 프로세스 도중에 불리한 레이저 플라즈마 영향들을 최소화한다.

Description

2차원 인쇄를 위해 펄스 변조 레이저를 사용하는 적층 제조 시스템
본 개시사항은, 그 전체가 참조로 포함되는 2018년 12월 19일에 출원된 미국 특허출원 제62/781,996호의 우선권을 주장하는 정규 특허출원의 일부이다.
본 발명은 일반적으로 적층 제조에 관한 것으로, 특히 2차원 인쇄를 위한 제어 가능한 펄스 형태 및 타이밍을 갖는 높은 플럭스 레이저를 사용하는 분말 베드 융합 적층 제조에 관한 것이다.
전통적인 구성요소의 가공은 종종 부품을 형성하기 위해 드릴링, 절단 또는 연마에 의한 재료 제거에 의존한다. 대조적으로, 3차원(3D) 인쇄로 지징되는 적층 제조는 일반적으로 부품을 만들기 위해 재료의 순차적인 층별 추가를 포함한다.
하나의 높은 처리량 실시예에서, 2차원 구역들 또는 "타일들"은 높은 플럭스 레이저 빔을 사용하여 금속 또는 다른 재료 분말 층으로부터 용융될 수 있다. 그러나 옵티컬 트레인의 높은 피크 파워는 광학계에 대한 레이저 손상의 증가된 위험으로 전환된다.
분말에 대한 표준의 높은 플럭스 펄스 열들의 다른 문제는 플라즈마 생성 및 플라즈마의 급격한 부피 팽창과 관련이 있다. 플라즈마가 유지하고 그 체적을 확장할 때, 충격파들이 생성되고, 이는 인쇄된(또는 레이저 조사된) 영역 주변의 상당한 양의 분말들을 주변 영역들로 밀어낸다. 효과적으로, 레이저 빔 조사, 플라즈마 생성, 플라즈마 유지 및 확장, 충격파 전파 및 분말 이동의 이러한 연쇄 반응은 인쇄 프로세스의 품질을 저하시킨다.
이것은 고출력 분말 베드 융합 기반 적층 제조 시스템들에 대한 특별한 문제이다. 현재 사용 가능한 일반적인 종래의 분말 베드 융합 적층 제조 시스템들은 약 300W 내지 1000W의 전력과 50 마이크로미터(50㎛) 내지 100㎛의 초점 빔 직경의 개별 레이저 빔을 사용한다. 이것은 단지 약 수 MW/㎠의 레이저 파워 플럭스로 변환되고(예를 들어, 100㎛인 초점 직경을 갖는 1000W 원형 레이저 빔은 [1000W/(π*(0.005cm)2)] = 12.74 MW/㎠의 플럭스를 갖는다), 이는 금속 분말을 용융시키고 비등시키기에 충분하지만, 플라즈마를 생성하고 유지할 수 있는 에너지 밀도에는 도달하지 못한다. 또한, 용융 체적이 작기 때문에, 임의의 플라즈마가 야기한 영향은 미미하다. 일반적으로 종래의 시스템들의 인쇄 프로세스 도중에 금속 얼룩들의 방울들이 보일 수 있지만, 인쇄 영역 주변으로 분말들을 밀어내는 플라즈마 시작 충격파가 거의 없거나 전혀 없어, 인쇄 프로세스에 심각하고 부정적인 영향을 미치는 "후광 효과"("Halo effect")를 야기한다.
고출력 플럭스 레이저 빔을 사용하여 인쇄 영역 내에서 분말 층을 빠르게 용융 및 고화시킬 때 허용되지 않는 후광 효과를 방지하기 위해 개선된 프로세스들 및 시스템들이 필요하다. 2차원 분말 베드 융합 기반 적층 제조 시스템들에 유용한 레이저 빔 파워 플럭스는 일부 시나리오들에서 수십에서 수백 kW/㎠에서 심지어 GW/㎠ 수준까지 다양하다. 안타깝게도 아르곤 환경에서, 이러한 수준들의 레이저 파워 플럭스는 일반적으로 분말 입자들을 밀어내어 제조 중에 허용되지 않는 후광들을 형성하는 플라즈마를 생성하고 유지하기에 충분하다.
다행히도, 광학 손상 및 원치 않는 플라즈마 생성 모두는 적절한 펄스 형성 및 높은 플럭스 레이저들의 타이밍에 의해 감소 또는 완화될 수 있다.
적층 제조 방법의 일 실시예에서, 금속, 세라믹, 중합체 또는 다른 재료들의 분말 베드가 제공된다. 하나 이상의 펄스들을 포함하고 20kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스 열은 분말 베드의 정의된 2차원 구역 또는 "타일"로 향한다. 이 에너지는 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융시켜 융합하기에 충분하다. 시스템, 레이저, 광학 및 분말 재료 파라미터들은, 일부 경우들에서 10 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2차원 구역 외부 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 20 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 구역 밖의 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 40 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 구역 밖의 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 80 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 구역 밖의 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 90 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 구역 밖의 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 95 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 밖의 영역으로 분출되도록, 다른 경우들에서 99 중량% 미만의 분말 입자들이 정의된 2 차원 구역 밖의 영역으로 분출되도록, 설정된다.
일부 실시예들에서, 성형된 레이저 빔 펄스 열은 임의의 펄스 레이저 소스, 적어도 하나의 전치-증폭기 및 적어도 하나의 전력 증폭기를 포함하는 시스템에 의해 제공된다. 레이저 플럭스는 200kW/㎠와 10GW/㎠ 사이에서 설정될 수 있고, 분말 베드의 정의된 2차원 구역은 0.000025㎠와 1,000㎠ 사이로 선택된다. 일부 실시예들에서, 분말 베드 상의 분말 층의 두께는 1-2000 ㎛ 범위, 25-250 ㎛ 범위 및 50-100 ㎛ 범위 중 적어도 하나이다. 사용된 분말의 크기는 10GW/㎠ 미만의 펄스 레이저 강도를 사용할 때, 직경이 100,000㎛ 미만이고, 선택된 실시예들에서 사용된 분말은 20kW/㎠ 보다 큰 펄스 강도를 사용할 때 직경이 500㎛ 미만이다.
다른 실시예에서, 시스템에 대한 동적 조정들은, 레이저 빔 에너지, 펄스 폭 또는 정의된 2차원 구역의 영역 중 적어도 하나를, 예비 후광 시험에 의해 형성된 후광의 검출된 영역에 응답하여, 조정하는 것을 포함하는 보정 단계를 제공함으로써 실현될 수 있다. 펄스 모양, 펄스들의 수 또는 시간의 함수로서 펄스 피크 전력은 또한 예비 후광 시험에 의해 형성된 후광의 검출된 영역에 응답하여 조정될 수도 있다. 일반적으로 후광의 반경은 정의된 2차원 구역을 넘어서 50 마이크론보다 크게 설정된다. 다른 실시예들에서, 후광의 반경은 정의된 2차원 구역을 넘어 10 마이크론보다 크게 설정된다. 다른 실시예들에서, 후광의 반경은 정의된 2차원 구역을 넘어 1마이크론보다 크게 설정된다.
일 실시예에서, 레이저 시간 펄스 폭은 20 나노초와 100 마이크로초 사이이다. 펄스 수가 1이상인 레이저 펄스 열이 사용될 수 있고, 레이저 펄스 피크 파워는 시간 함수로 조정될 수 있다.
다른 실시예에서 2차원 인쇄를 위한 레이저 시스템은 레이저 펄스 신호 소스, 및 레이저 빔을 수신하여 광학 격리 디바이스를 향해 지향하기 위한 하나 이상의 전치 증폭기 모듈들을 포함한다. 하나 이상의 증폭기 모듈들은 광학 격리 디바이스로부터 레이저 빔을 수신하고, 이를 분말 베드의 정의된 2차원 구역으로 지향시키도록 배치될 수 있다. 레이저 펄스 신호 소스는 구형파, 램프 또는 펄스 열 중 적어도 하나를 제공할 수 있으며, 광학 격리 디바이스는 포켈스(Pockels) 셀, 패러데이 회전자, 패러데이 아이솔레이터(Faraday isolator), 음향-광학 반사기 또는 볼륨 브래그 격자중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 레이저 제어 방법은 제 1 레이저 빔을 제공하기 위하여 레이저 펄스 신호 소스를 전치-증폭기 모듈 및 광학 변조기 또는 분리 디바이스를 향하여 지향시키는 단계를 포함한다. 제 1 레이저 빔은, 하나 이상의 펄스들을 포함하고 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스 열을 제공하기 위해, 증폭기 모듈을 향해 지향될 수 있다. 일반적으로 플럭스는 200kW/㎠ 내지 10GW/㎠이다. 레이저 시간 펄스 폭은 20 나노초에서 100 마이크로초 사이의 범위로 설정될 수 있다. 펄스 수가 1보다 큰 레이저 펄스 열이 사용될 수 있고, 레이저 펄스 피크 전력은 시간 함수로 조정될 수 있다. 성형된 레이저 빔 펄스 열은 0.000025㎠와 1,000㎠ 사이의 2차원 구역에 지향될 수 있다.
일 실시예에서 성형된 레이저 빔 펄스 열은 적층 제조 스테이션에 지향될 수 있다. 예를 들어, 성형된 레이저 빔 펄스 열은 정의된 2차원 구역 내에서 금속 또는 다른 분말을 용융 및 융합하기 위해 적층 제조 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향될 수 있다.
일 실시예에서, 적층 제조 방법은 분말 베드를 둘러싸고 선택적으로 대기압보다 높은 적어도 50%의 불활성 가스를 포함하는 분위기를 갖는 인클로저를 제공하는 단계를 포함한다. 20kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 레이저 빔은 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융 및 융합시키기 위해 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향될 수 있다.
일 실시예에서, 적층 제조 방법은 분말 베드를 둘러싸고 선택적으로 대기압 미만의 적어도 50% 불활성 가스를 포함하는 분위기를 갖는 인클로저를 제공하는 단계를 포함한다. 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 레이저 빔은 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융 및 융합시키기 위해 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향될 수 있다.
일 실시예에서, 분위기는 Ar, He, Ne, Kr, Xe, C02, N2, 02, SF6, CH4, CO, N20, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, i-C4H10, C4H10, 1-C4H8, cic-2,C4H7, 1,3-C4H6, 1,2-C4H6, C5H12, n-C5H12, i-C5H12, n-C6H14, C2H3C1, C7H16, C8H18, C10H22, C11H24 , C12H26, C13H28, C14H30, C15H32, C16H34, C6H6, C6H5-CH3, C8H10, C2H50H, CH30H 및 iC4H8 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 개시사항의 비-제한적이고 비-포괄적인 실시예들이 다음 도면들을 참조하여 설명되며, 유사한 참조 번호들은 달리 명시되지 않는한 다양한 도면들에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1a는 레이저에 반응하기 전의 분말 층을 도시하는 도면.
도 1b는 레이저 유도 플라즈마에 응답하는 분말 이동을 도시하는 도면.
도 1c는 플라즈마 형성을 방지하는 임의의 펄스에 응답하는 분말 이동을 도시하는 도면.
도 2는 높은 레이저 플럭스 레벨들에서 플라즈마 형성을 감소시키는 2차원 적층 제조를 위한 장치를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 높은 플럭스 레이저에 대한 예시적인 펄스(들)을 도시하는 도면.
도 4는 적절한 펄스 열을 제공하기 위한 시스템의 모듈들을 도시하는 도면.
이하의 설명에서, 그 설명의 일부를 형성하는 첨부된 도면들을 참조하며, 도면들은 본 개시사항이 실시될 수 있는 특정 예시적인 실시예들을 도시하는 방식으로 도시된다. 이들 실시예들은 당업자들이 본 명세서에 개시된 개념들을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 개시된 다양한 실시예들에 대한 수정들이 이루어질 수 있고, 다른 실시예들이 본 개시사항의 범주를 벗어나지 않고 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서 다음의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아 들여서는 안된다.
일 실시예에서, 하나 이상의 레이저 또는 전자 빔들을 포함하는 하나 이상의 에너지 소스들을 갖는 적층 제조 시스템은 하나 이상의 에너지 빔들을 방출하기 위해 위치된다. 빔 성형 광학계는 에너지 소스로부터 하나 이상의 에너지 빔들을 수신하여 단일 빔을 형성할 수 있다. 에너지 패터닝 유닛은 단일 빔을 수신 또는 생성하여, 2차원 패턴을 빔에 전달하고, 패턴에 없는 미사용 에너지를 거부할 수 있다. 이미지 릴레이는 2차원 패턴 빔을 수신하고, 이를 고정된 높이 또는 이동 가능한 구축 플랫폼(예 : 분말 베드) 상의 원하는 위치에 2차원 이미지로 초점을 맞춘다. 특정 실시예들에서, 에너지 패터닝 유닛으로부터 임의의 거부된 에너지의 일부 또는 전부가 재사용된다.
일부 실시예들에서, 레이저 어레이(들)로부터의 다수의 빔들은 빔 균질화기를 사용하여 결합된다. 이러한 결합된 빔은 투과형 또는 반사형 픽셀 주소지정 가능 광 밸브를 포함하는 에너지 패터닝 유닛으로 지향될 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀 주소지정 가능 광 밸브는 편광 요소를 갖는 액정 모듈과 2차원 입력 패턴을 제공하는 광 프로젝션 유닛을 모두 포함한다. 이미지 릴레이에 의해 초점이 맞춰진 2차원 이미지는 3D 구조를 구축하기 위해 분말 베드 상의 다수의 위치들로 순차적으로 지향될 수 있다.
에너지 소스는, 지향, 형상화 및 패턴화될 수 있는 광자(광), 전자, 이온, 또는 다른 적절한 에너지 빔들 또는 플럭스들을 생성한다. 다수의 에너지 소스들은 조합하여 사용될 수 있다. 에너지 소스에는 레이저, 백열등, 집중 태양광, 기타 광소스들, 전자 빔들 또는 이온 빔들을 포함할 수 있다. 가능한 레이저 유형들은 가스 레이저, 화학 레이저, 염료 레이저, 금속 증기 레이저, 고체 상태 레이저(예 : 섬유), 반도체(예 : 다이오드) 레이저, 자유 전자 레이저, 가스 동적 레이저, "니켈-형" 사마륨 레이저, 라만 레이저 또는 핵 펌핑 레이저를 포함하지만, 이들에 국한되는 것은 아니다.
가스 레이저에는 헬륨-네온 레이저, 아르곤 레이저, 크립톤 레이저, 크세논 이온 레이저, 질소 레이저, 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저 또는 엑시머 레이저와 같은 레이저들을 포함할 수 있다.
화학 레이저는 불화 수소 레이저, 불화 중수소(Deuterium fluoride) 레이저, COIL(화학 산소-요오드 레이저) 또는 Agil(모든 기상 요오드 레이저)과 같은 레이저들을 포함할 수 있다.
금속 증기 레이저는 헬륨-카드뮴(HeCd) 금속-증기 레이저, 헬륨-수은(HeHg) 금속-증기 레이저, 헬륨-셀레늄(HeSe) 금속-증기 레이저, 헬륨-은(HeAg) 금속-증기 레이저, 스트론튬 증기 레이저, 네온-구리(NeCu) 금속-증기 레이저, 구리 증기 레이저, 금 증기 레이저 또는 망간(Mn/MnCl2) 증기 레이저와 같은 레이저들을 포함할 수 있다. 루비듐 또는 기타 알칼리 금속 증기 레이저들 또한 사용될 수 있다. 고체 상태 레이저는 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, NdCrYAG 레이저, Er:YAG 레이저, 네오디뮴 YLF(Nd:YLF) 고체-상태 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 오르토바나데이트(Nd: YVO4) 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 칼슘 옥소보레이트 Nd:YCa40(B03)3 또는 간단히 Nd:YCOB, 네오디뮴 유리(Nd:Glass) 레이저, 티타늄 사파이어(Ti:사파이어) 레이저, 툴륨 YAG(Tm:YAG) 레이저, 이테르븀 YAG(Yb:YAG) 레이저, 이테르븀:203(유리 또는 세라믹) 레이저, 이테르븀 도핑된 유리 레이저(막대, 판/칩 및 섬유), 홀뮴 YAG(Ho:YAG) 레이저, 크롬 ZnSe(CrZnSe) 레이저, 세륨 도핑된 리튬 스트론튬(또는 칼슘) 알루미늄 플루오라이드(Ce:LiSAF, Ce:LiCAF), 프로메티움 147 도핑된 포스페이트 유리(147Pm+3:Glass) 고체-상태 레이저, 크롬 도핑 크리소베릴(알렉산드라이트) 레이저, 에르븀 도핑된 안데르븀-이테르븀 공동-도핑된 유리 레이저, 3가 우라늄 도핑된 불화칼슘(U:CaF2) 고체-상태 레이저, 2가 사마륨 도핑된 불화칼슘(Sm:CaF2) 레이저 또는 F-센터 레이저와 같은 레이저들을 포함할 수 있다.
반도체 레이저는 GaN, InGaN, AlGaInP, AlGaAs, InGaAsP, GaInP, InGaAs, InGaAsO, GaInAsSb, 납염, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 양자 캐스케이드 레이저, 하이브리드 실리콘 레이저 또는 이들의 조합과 같은 레이저 매체 유형들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서 단일 Nd:YAG q-스위칭된 레이저는 다수의 반도체 레이저들과 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 전자 빔은 자외선 반도체 레이저 어레이와 함께 사용될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 레이저들의 2차원 어레이가 사용될 수 있다. 다수의 에너지 소스들을 갖는 일부 실시예들에서, 에너지 빔의 사전 패터닝은 에너지 소스들을 선택적으로 활성화 및 비활성화함으로써 수행될 수 있다.
레이저 빔은 레이저 빔 소스로부터 수신된 하나 이상의 레이저 빔들을 결합, 집중, 발산, 반사, 굴절, 균질화, 강도 조정, 주파수 조정, 또는 다른 방식으로 형상화하여 에너지 패터닝 유닛을 향해 지향시키기 위해 매우 다양한 이미지 처리 광학계에 의해 성형될 수 있다. 일 실시예에서, 각각 별개의 광 파장을 갖는 다수의 광 빔들은 파장 선택성 거울들(예를 들어, 이색성) 또는 회절 요소들을 사용하여 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다수의 빔들은 다면 거울들, 마이크로렌즈들 및 굴절 또는 회절 광학 요소들을 사용하여 균질화되거나 결합될 수 있다.
에너지 패터닝은 정적 또는 동적 에너지 패터닝 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광자, 전자 또는 이온 빔들은 고정되거나 이동 가능한 요소들을 갖는 마스크들에 의해 차단될 수 있다. 이미지 패터닝의 유연성과 용이성을 높이기 위해 픽셀 주소지정 가능 마스킹, 이미지 생성 또는 전송이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 에너지 패터닝 유닛은 패터닝을 제공하기 위해 단독으로 또는 다른 패터닝 메커니즘들과 함께 주소지정 가능한 광 밸브들을 포함한다. 광 밸브들은 투과형 또는 반사형이 될 수 있거나, 투과형 및 반사형 요소들의 조합을 사용할 수 있다. 패턴들은 전기적 또는 광학적 주소지정을 사용하여 동적으로 수정될 수 있다. 일 실시예에서, 투과형의 광학적으로 주소지정된 광 밸브는 밸브를 통과하는 광의 편광을 회전시키는 역할을 하며, 광학적으로 주소지정된 픽셀들은 광 프로젝션 소스에 의해 정의된 패턴들을 형성한다. 다른 실시예에서, 반사 광학적으로 주소지정된 광 밸브는 판독 빔의 편광을 수정하기 위한 기록 빔을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 전자 패터닝 디바이스는 전기 또는 광자 자극 소스로부터 어드레스 패턴을 수신하고 전자들의 패턴화된 방출을 생성한다.
거부된 에너지 처리 유닛은 패턴화되지 않고 에너지 패턴 이미지 릴레이를 통과한 에너지를 분산, 재지향 또는 활용하는데 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 거부된 에너지 처리 유닛은 에너지 패터닝 유닛으로부터 열을 제거하는 수동 또는 능동 냉각 요소들을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 거부된 에너지 처리 유닛은 에너지 패턴을 정의하는데 사용되지 않는 임의의 빔 에너지를 흡수하여 열로 변환하는 "빔 덤프"를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 거부된 빔 에너지는 빔 성형 광학계들 사용하여 재활용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 거부된 빔 에너지는 가열 또는 추가 패터닝을 위해 물품 처리 유닛으로 지향될 수 있다. 특정 실시예들에서, 거부된 빔 에너지는 추가 에너지 패터닝 시스템들 또는 물품 처리 유닛들로 지향될 수 있다.
이미지 릴레이는 에너지 패터닝 유닛으로부터 패턴화된 이미지(일반적으로 2차원)를 수신하고, 이를 물품 처리 유닛(10)으로 안내한다. 빔 성형 광학계와 유사한 방식으로, 이미지 릴레이는 패턴화된 이미지를 결합, 집중, 발산, 반사, 굴절, 강도 조정, 주파수 조정 또는 달리 성형 및 지향시키기 위한 광학계를 포함할 수 있다.
물품 처리 유닛은 벽으로 둘러싸인 챔버 및 베드, 및 재료 분배를 위한 재료 분배기를 포함할 수 있다. 재료 분배기는 재료 유형 또는 입자 크기의 그라데이션 또는 변화들을 분배, 제거, 혼합, 제공하거나, 재료의 층 두께를 조정할 수 있다. 재료는 금속, 세라믹, 유리, 중합체 분말들, 고체에서 액체로 그리고 다시 역으로 열 유도된 상 변화를 겪을 수 있은 다른 용융-가능한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 재료는 용융-가능한 재료와 용융-불가능한 재료의 복합물을 더 포함할 수 있으며, 여기서 두 구성 요소 중 하나 또는 둘 모두는, 용융-불가능한 재료와 함께 남겨지거나, 용융-불가능한 재료가 기화/파괴/연소 또는 다른 파괴적인 프로세스를 거치게 하는 동안, 용융-가능한 구성요소를 용융시키기 위해 이미징 릴레이 시스템에 의해 선택적으로 타깃화될 수 있다. 특정 실시예들에서, 재료의 슬러리들, 스프레이들, 코팅들, 와이어들, 스트립들 또는 시트들이 사용될 수 있다. 원치 않는 재료는 송풍기들, 진공 시스템들, 베드의 스위핑, 진동, 흔들기, 기울이기 또는 뒤집기의 사용에 의해 처분 또는 재활용을 위해 제거될 수 있다.
재료 처리 구성요소들에 더하여, 물품 처리 유닛은 3D 구조들을 유지하고 지지하기 위한 구성요소들, 챔버를 가열 또는 냉각하기 위한 메커니즘들, 보조 또는지원 광학계, 재료 또는 환경 조건들을 모니터링하거나 조정하기 위한 센서들 및 제어 메커니즘들을 포함할 수 있다. 물품 처리 유닛은 전체적으로 또는 부분적으로 진공 또는 불활성 가스 분위기를 지원하여, 원치 않는 화학적 상호작용을 줄이고(특히 반응성 금속들에 대한) 화재 또는 폭발의 위험들을 완화시킬 수 있다.
제어 프로세서는 적층 제조 시스템의 임의의 구성요소들을 제어하기 위하여 연결될 수 있다. 제어 프로세서는 다양한 센서들, 액추에이터들, 가열 또는 냉각 시스템들, 모니터들 및 컨트롤러들에 연결되어, 동작을 조정할 수 있다. 이미저들, 광도 모니터들, 열, 압력 또는 가스 센서들을 포함한 다양한 센서들은 제어 또는 모니터링에 사용되는 정보를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 제어 프로세서는 단일 중앙 컨트롤러가 될 수 있거나, 하나 이상의 독립적인 제어 시스템들을 포함할 수 있다. 컨트롤러 프로세서는 제조 지령들의 입력을 허용하는 인터페이스를 제공받는다. 광범위한 센서들의 사용은, 품질, 제조 처리량 및 에너지 효율성을 개선하는 다양한 피드백 제어 메커니즘들을 허용한다.
광학계에 대한 손상을 감소시키고 인쇄 베드에서 레이저 플라즈마 유도 "후광" 효과를 최소화하기 위해 긴 펄스 민첩성 및 확장성을 갖는 레이저 시스템의 설계, 구현 및 동작 방법들이 설명된다. 두 효과들 모두 레이저 소스의 피크 강도에 비례하기 때문에, 사용 지점(예 : 인쇄 평면)에서 평방 센티미터 당 20 킬로와트 내지 평방 센티미터 당 1 기가와트 초과의 전력 플럭스를 갖는 고출력 레이저 소스들은 특히 광학계 손상 및 레이저 유도 플라즈마 효과들에 영향을 받기 쉽다. 일부 실시예들에서, 플라즈마 관련 후광 효과들은 발생된 증기/입자들로부터 시작될 수 있고, 이러한 발생된 증기/입자들은 분말(Fe, Cr, Al, Co, Ti, Si, 등)로부터 마멸/증발된 재료로부터, 특히 금속 구성요소로부터 형성된다. 표면으로부터 증기/입자 재료의 이러한 발생은, 레이저가 여전히 발사되는 동안에도 충분한 양의 재료가 인쇄되는 영역 위의 가스 영역으로 들어갈 수 있는 정도로, 분말을 가열하는 레이저로 인해 고속으로 발생할 수 있다. 발생된 재료는 인쇄되는 타일 상에 여전히 입사하는 레이저 광의 매우 높은 흡수율을 가질 수 있으며, 따라서 과열되어 폭발 파동과 후광 효과를 생성할뿐만 아니라, 임의의 추가 입사 레이저 에너지를 반사 및 분산시키기 시작하는 플라즈마를 생성한다. 이러한 거부 효과는 베드를 인쇄하는 에너지의 양을 낮출 수 있으며 타일 내 인쇄 프로세스의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 프로세스 가스의 높은 열전도율은 가스가 레이저 가열 및 용융 프로세스에서 발생하는 열을 빠르게 전도하여 제거할 수 있도록 한다. 따라서 높은 열전도율은 플라즈마 부피 팽창이 지속되기 전에 플라즈마를 끄는 목적에 유용하고, 다라서 주변 분말들을 밀어내는 충격파의 기계적 영향을 최소화한다. 프로세스 가스의 높은 열전도율은 또한 분말 층의 상단 표면에서 열을 제거하는 역할을 하므로, 분말 층의 수직 온도 구배를 줄이고, 분말 층의 보다 균일한 가열 및 용융을 허용한다. 결과적으로 이상적인 프로세스 가스의 전도도가 높을수록, 더 많은 열이베이스(인쇄 판 또는 현재 층 아래의 이전 인쇄 층)로 전달되게 하고, 따라서 현재 분말 층의 상단을 녹이지 않고 베이스 온도를 용융점에 더 근접하게 만든다. 이것은 분말 층을 베이스 플레이트 또는 현재 층 아래의 이전에 인쇄된 층에 접합하는 유익한 열 조건들을 생성한다.
일부 실시예들에서, 엔클로저에서 분위기를 형성하는 처리된 가스의 사용은 플라즈마 생성 및 "후광" 문제를 완화하는 작용을 한다. 일부 실시예들에서, 주로 헬륨을 포함하는 불활성 가스들은 제어된 온도 및 압력 범위들 내에서 분말 베드 융합 기반 적층 제조 프로세스의 접합 및 동작을 향상시킬 수 있다.
가스 종들을 처리하는 것 외에도, 온도와 같은 동작 조건들은 타일 표면에서 멀리 떨어진 원하는 열 전도 또는 열 전달 계수를 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 1 bar로 처리된 He 가스의 경우, 열전도율은 0℃ 에서 600℃ 사이에서 ~ 0.15에서 ~ 0.3으로 두 배가 될 수 있다. 차례로 압력을 높이는 것은 또한 열 전달 계수를 높이고 폭발 파동를 움직이는데 필요한 에너지의 양을 증가시킴으로써 이러한 공정을 도울 수 있다. 인클로저 분위기 온도는 20도 켈빈(Kelvin)(즉, 극저온)에서 5000도 켈빈 사이로 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인클로저의 분위기 온도는 200℃ 내지 600℃ 사이로 설정될 수 있다.
압력과 같은 동작 조건들에 대한 조정은 적층 제조를 더욱 향상시키고 후광 효과를 줄이기 위해 사용될 수 있다. 인클로저 내의 분위기는 0 내지 100 bar 사이의 절대 압력으로 유지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인클로저의 분위기 온도는 대기압보다 낮다. 다른 실시예들에서, 인클로저의 분위기 온도는 대기압보다 높다. 적층 제조 프로세스에서 레이저는 분말 재료 및 기판과 상호 작용하고, 용융된 분말 재료는 합쳐지기 시작한다. 이 프로세스는 재료의 가스 기포 틈새들을 포획할 가능성이 있다. 가스의 압력을 충분히 낮춤으로써 이러한 기포들은 수축하기 시작하고, 결국 자체적으로 붕괴되어, 용융 프로세스 도중에 고밀도 재료를 생성한다. 일부 경우들에서, 이 프로세스는 0.5 내지 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있고, 다른 경우들에는 0.25 내지 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 0.1 내지 1.0bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있고, 다른 경우들에는 0.01 및 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 0.001 및 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 0.0001 내지 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 10-6 내지 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 10-6 내지 10-3 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있으며, 다른 경우들에는 10-10 내지 1.0 bar 사이의 절대 압력에서 발생할 수 있다.
또한 다양한 온도들에서 고압과 같은 동작 조건들에 대한 조정들은 적층 프로세스 이후 또는 도중에 부품들의 품질에 득이 되도록 사용될 수 있다. 역사적으로, HIP(Hot Isostatic Pressing : 열간 등방압 가압법)는 적층 제조로부터 부품이 제작된 후에 수행되지만, 프로세스 도중에 이를 도입하면 상당한 이점들이 있다. HIP 프로세스는 500 내지 1,000bar 및 400 내지 1500℃에서 동작할 수 있다. 그러나 HIP 프로세스는 저압의 가스 포켓들의 압축에 기반하므로 고온 및 고압에서 인쇄 프로세스를 단순히 동작하는 것만으로는 충분하지 않다. 이를 위해 인쇄 프로세스의 다양한 단계들에서 압력이 순환될 필요가 있다. 인쇄 프로세스는 저압에서 계속되고, 간헐적으로 일시 중지되고, 고온에서 압력이 증가하여, 구멍들과 가스 포켓들을 제거한다.
또 다른 실시예들에서, 다른 파생 또는 대안적 방법들은 프로세스 동안 처리된 프로세스 가스의 원위치의 재활용 및 재순환, 또는 금속 분말을 용융시키는 레이저 빔이 발생하는 인쇄 챔버에서 국부적으로만 불활성 프로세스 가스 환경의 도입을 포함할 수 있다.
유리하게, 설명된 가스 및 동작 조건들을 사용하여, 플라즈마 생성 및 부피 팽창이 인쇄 프로세스 동안 억제되거나 최소화된다. 레이저 빔 용융 및 융합에 대한 반응으로 주변 금속 분말에 대한 분말 이동 및 기계적 영향("후광")이 최소화되고, 적층 인쇄 프로세스(예 : 인접한 타일을 함께 "부착하는")의 양상들의 연속성에 큰 영향을 미치지 않는다. 플라즈마의 최소 생성 및 부피 확장은 또한 인쇄 영역 위의 레이저 빔에 대한 플라즈마의 "차단" 또는 "산란" 효과를 최소화할 수 있다.
프로세스 가스를 함유하는 처리된 He의 높은 열전도율은 또한 금속 분말 층의 깊이에 걸쳐 수직 온도 구배를 줄이는데 도움이 되며, 따라서 보다 균일한 가열 및 용융 조건을 생성한다. 기본 재료와 접합하기 위하여 고출력 플럭스 레이저(들)를 사용하여 금속 분말을 빠르게 가열, 용융 및 고형화하는 것을 가능케 한다.
도 1a는 레이저에 응답하기 전의 분말 층 시스템(100A)의 단면 및 상부를 도시한다. 슬라이스(107)로부터 취한 횡단면도(101)는 기판(102) 상에 놓여있는 인쇄될 가능한 타일들을 포함하는 분말(103)의 층을 도시한다. 평면도(104)는 위에서 본 타일들의 동일한 그룹의 도면을 도시한다. 이 예에서, 인쇄될 타일 영역(106)에 분말이 있다. 인쇄될 타일은 인쇄될 미래의 잠재적인 타일들(105)을 구성하는 분말로 둘러싸여 있다.
도 1b는 평방 센티미터 당 20 메가와트를 초과하고 일반적으로 평방 센티미터 당 100 메가와트 내지 10 기가와트 범위의 플럭스를 갖는 레이저 빔에 응답하는 분말 층 시스템(100B)을 단면 및 평면도로 도시한다. 이러한 전력 플럭스 레벨들에서 상당한 양의 레이저 유도 플라즈마가 사용 지점에서 형성된다. 슬라이스(107)로부터 취한 횡단면도(101)는 기판(102) 상에 놓여 있는 인쇄될 가능한 타일들을 포함하는 분말(103)의 층을 도시한다. 평면도(104)는 위에서 본 타일들의 동일한 그룹의 도면을 도시한다. 이 예에서는 레이저(108)로 인쇄된 타일(106)이 있다. 인쇄된 타일은 인쇄될 미래의 잠재적 타일들(105)을 구성하는 분말로 둘러싸여 있다. 분말의 가열로 생성된 증기는 레이저(108)에 의해 과열되어, 원래 양호한 균일한 층(103)의 분말을 인쇄된 타일(106) 옆의 "후광(Halo)" 구역(110) 밖으로 밀어내는 가스(109) 팽창 파동을 형성한다. 이러한 분말의 움직임은 근처 타일(112) 상에 추가적인 쌓여짐을 유발하여 층 두께를 변경한다. "후광" 구역(110)으로부터 분말의 변위 및 인근 타일(112)의 분말의 쌓여짐은 장래의 층들을 인쇄하는데 문제들을 야기한다.
도 1c는, 주로 헬륨 함유 분위기 하에서 평방 센티미터 당 20 메가와트를 초과하고 일반적으로 평방 센티미터 당 100 메가와트와 10 기가와트 사이의 플럭스를 갖고, 다음의 도 3과 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같은 다양한 형상의 레이저 펄스 열들을 사용하는 레이저 빔에 응답하는 분말 층 시스템(100C)을 단면 및 평면도로 도시한다. 슬라이스(107)로부터 취한 횡단면도(101)는 기판(102) 상에 놓여 있는 인쇄될 가능한 타일들을 포함하는 분말(103)의 층을 도시한다. 평면도(104)는 위에서 본 타일들의 동일한 그룹의 도면을 도시한다. 이 예에서는 주로 헬륨 환경(109)에서 레이저(108)로 인쇄된 타일(106)이 있다. 인쇄된 타일은 인쇄될 장래의 잠재적인 타일들(105)을 구성하는 분말로 둘러싸여 있다. 인쇄가 성형된 레이저 펄스 열들을 사용하여 수행되었기 때문에, 분말의 가열로 생성된 증기는 레이저(108)에 의해 과열되지 않으며, 이전에 균일한 층(103) 밖으로 분말을 밀어 낼 가능성을 갖는 가스 팽창 파동은 대부분 또는 완전히 제거되어, 인쇄될 타일(106) 옆에 있는 분말(105)이 향후 샷에서 인쇄되도록 허용한다. 또한, 분말 층(103)은 증가하지 않아, 장래 층들에 대한 문제를 방지한다.
선택된 실시예들에서, 적층 제조 엔클로저 내의 분위기 환경을 제공하기 위해 더 많거나 더 적은 양의 헬륨 또는 다른 불활성 가스들이 사용될 수 있다. 예를 들어, Ar, He, Ne, Kr, Xe, C02, N2, 02, SF6, CH4, CO, N20, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, i-C4H10, C4H10, 1-C4H8, cic-2,C4H7, 1,3-C4H6, 1,2-C4H6, C5H12, n-C5H12, i-C5H12, n-C6H14, C2H3C1, C7H16, C8H18, C10H22, C11H24, C12H26, C13H28, C14H30, C15H32, C16H34 , C6H6, C6H5-CH3, C8H10, C2H50H, CH30H, iC4H8이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉매 또는 큰 불활성 분자들(육불화 황을 포함하나 이에 국한되지 않음)이 사용될 수 있다. 불활성/비-반응성 가스들의 선택된 백분율들과 함께 부피(또는 수(number) 밀도)로 적어도 약 1%의 He를 갖는 인클로저 분위기 조성이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서는 1% 초과의 He가 사용될 수 있는 한편, 다른 실시예들에서는 10% 초과의 He가 사용될 수 있는 한편, 다른 실시예들에서는 20% 초과의 He가 사용될 수 있는 한편, 다른 실시예들에서는 40% 초과의 He가 사용될 수 있는 한편, 다른 실시예들에서는 80% 초과의 He가 사용될 수 있는 한편, 다른 실시예들에서는 95% 이상의 He가 사용될 수 있다. 처리된 가스의 조성 외에도, 처리된 가스의 동작 온도 및 압력 범위들은 플라즈마 생성을 최소화하고 인쇄 품질을 개선하기 위하여 선택될 수 있다. 복합 분자들과 큰 원자량의 가스들은 더 큰 질량을 가지고 이동하는데 훨씬 더 많은 힘이나 에너지를 필요로 하는 것과 관련된 이점을 가질 수 있다. 육불화 황과 같은 더 큰 분자들은 He(Ar과 유사)보다 낮은 열 전도율을 갖지만, 가스는 훨씬 밀도가 높고, 분말을 용융 온도까지 가열하고 상 변화를 유도하는 인쇄 프로세스 동안 분말로부터 발생된 다른 가스들(02, H20 증기, N2, 등)를 밀어내는 역할을 한다. 이들 가벼운 가스들은 훨씬 밀도가 높은 가스 위에 효과적으로 부유하여 프로세스 영역에서 빠르게 제거된다. 또한, 더 복잡한 분자들은 희 가스들은 갖지 않는 진동 및 회전 에너지 저장 모드를 갖는다. 이러한 추가 에너지 모드들은 고온에서 가스의 비열을 증가시키고, 주변 금속 증기에서 더 많은 에너지를 흡수하여 가스의 이온화 잠재력을 줄이는데 도움이 된다. 또한 SF6(육불화 황)의 경우, 주 불활성 기체 분자가 분해되어야 하는 경우(플라즈마 분해를 통해, 또는 O, C, H, OH와 같은 발생된 라디칼들, 다양한 조합들, 분말 합금의 종들을 포함하는 다양한 조합들, 등과의 상호 작용을 통해), 분해로 인해 형성된 라디칼은 인쇄 프로세스 중에 발생된 가스(O, 02, H, OH, H20, Fe, Cr, 등) 를 제거하는데 도움이 된다. 가스의 원자 특성, 밀도 또는 온도를 변경하여 다른 재료들을 인쇄하는데 다른 가스들이 사용될 수 있다.
도 2는 들어오는 레이저 빔(201)이 미러(211)에 의해 분말 베드로 지향되어 인쇄 레이저 빔(202)을 형성하는 시스템(200)을 도시한다. 빔의 중요하지 않은 부분은 미러(211)를 투과하여, 레이저 플럭스를 검출하기 위한 레이저 플럭스 센서(205)에 도달한다. 비전 시스템(206)은 베이스 기판(204) 상의 인쇄 영역(203)을 목표로 한다. 비전 시스템(206)에 의해 촬영된 이미지는 컴퓨터 프로세서(207)로 전송된다. 컨트롤러(208)는 이미지 처리의 결과를 이용하여 레이저 펄스의 형상, 출력 및 형식을 변조하기 위한 제어 신호를 생성한다. 일 실시예에서, 헬륨 탱크(209)로부터 인쇄 챔버(210)로 공급되는 헬륨의 양은 또한, 인쇄 챔버 분위기 온도에 대한 조정에 더해, 변조될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 레이저 플라즈마 형성 및 인쇄 프로세스에 대한 관련 "후광" 효과를 제거하거나 최소화하는데 사용할 수 있는 출력 펄스 파형들의 일반적인 유형들을 도시한다. 도 3a의 그래프(300A)와 관련하여 볼 수 있는 바와 같이, 구형 펄스가 사용될 수 있으며, 폭과 진폭은 레이저 시스템 광학계의 레이저 손상 임계값 요건들 아래로, 그리고 원하지 않는 분말 이동 및 후광 형성을 야기하는 플라즈마 임계값 아래로 설정되도록 한정된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 것과 유사한 에너지 함량을 갖지만 레이저 손상과 분말 이동을 줄이도록 조정될 수 있는 개별 펄스 폭과 펄스 간격을 갖는 일련의 짧은 펄스들로 전달되는 성형된 펄스 열을 갖는 그래프(300B)를 도시한다. 20kW/㎠ 내지 10GW/㎠ 출력 사이의 레이저 플럭스 레벨들에서, 펄스 열은 일반적으로 단순한 발진기(모드 고정 발진기와 같은)를 사용하지 않을 것인데, 왜냐하면 이러한 시스템이, 광학적 손상이나 의도하지 않은 플라즈마 생성없이 안정적으로 동작하기에는 불충분한 타이밍 및 펄스 형상 유연성을 갖기 때문이다. 간단한 펄스 열을 증폭기 시스템에 공급하는 것은 스파이크 형상의 펄스 열을 산출한다(즉, 제 1 펄스들은 매우 높고, 후행 펄스들은 낮다). 이것은 증폭기들의 이득이 포화로 인한 것으로, 포화된 증폭기로의 제 1 펄스들은 가용 에너지를 도용한다.
도 3c는 레이저 손상을 최소화하고 분말 이동을 감소시키면서 전체 성능을 향상시키기 위해, 시간에 걸쳐 레이저 피크 전력의 진폭을 변화시키는 성형된 펄스(또는 펄스 열)를 도시하는 그래프(300C)이다.
이해되는 바와 같이, 성형된 레이저 펄스 동작으로 인한 시스템 동작의 다른 개선은 레이저 에너지 요건들의 최소화 및/또는 인쇄된 부품들의 재료 특성들의 조정을 포함할 수 있다.
동작시, 펄스 길이들은 제한된 성능을 갖는 광학계에 대한 광학 손상 임계 값 아래로 피크 강도를 낮추도록 맞춤화될 수 있다.
펄스 길이들은 분말 베드의 피크 강도가 플라즈마 형성 한계 아래로 되도록 맞춤화될 수 있어, 개선된 2차원 타일 인쇄를 가능케 한다.
펄스 길이 범위들은 "후광" 효과로 인해 효율적인 인쇄를 방해하는 레이저 플라즈마 생성을 최소화하기 위해 상이한 레이저 흡수, 용융점 및 융합 열을 갖는 특정 재료들에 맞춰질 수 있다.
개선된 동작의 추가 예로서, 316 스테인리스 강 분말(1371-1399 ℃의 용융점 을 갖는)이 실온의 헬륨 환경에서 200 나노초 초과의 펄스 폭으로 인쇄 베드에서 8 J/㎠ 초과로 인쇄될 수 있는 경우를 들 수 있다. 대안적으로, 알루미늄 분말(659℃의 낮은 용융점을 갖는)은 인쇄하는데 더 적은 플럭스를 필요로 하지만, 낮은 밀도(분말 입자 당 가벼운 무게)로 인해 후광 효과가 강조될 것이다. 분말 이동을 줄이기 위해 200 나노초 초과의 긴 펄스 폭이 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 텅스텐 분말(3399℃의 매우 높은 용융점을 갖는 금속)은 플라즈마 형성을 최소화하지만, 용융시키는데 많은 에너지를 필요로 할 것이다. 대조적으로, 잠재적인 광학 구성요소인 융합 실리카는 많은 레이저 플럭스를 필요로 하는 매우 높은 용융점을 갖을 것이지만, 상대적으로 낮은 밀도를 가는 것은 500 나노초 초과의 매우 긴 펄스 길이의 이점을 얻어, 심각한 후광 문제들을 회피할 것이다.
펄스 길이들은 에너지가 분말에 전달되는 방식을 변경하고, 온도 발생과 그에 따른 응력 및/또는 결정학적 특성들을 효과적으로 제어함으로써, 완성된 인쇄 부품의 기계적 특성들을 개선하도록 맞춤화될 수 있다.
도 4는 레이저 손상의 가능성을 최소화하고, 인쇄 베드 상의 분말에서 레이저 플라즈마 유도 "후광"을 감소 또는 효과적으로 제거시키고, 임의의 적응 가능한 펄스 파형을 생성하고, 적층 가공된 부품들의 완성된 재료 특성들을 조정하기 위한 임의의 적응 가능한 펄스 파형들을 생성하는 능력을 갖는 높은 플럭스 레이저 시스템(400)의 예를 도시한다. 임의의 펄스형 레이저 소스(401)는 광섬유 결합 다이오드 레이저 소스와 결합된 임의의 파형 발생기로부터 구성될 수 있다. 레이저 전치-증폭기(402) 및 전력 증폭기(403)는 효율성을 위해 다중경로 포맷으로 사용되며, 저장된 에너지 및 크기는 시스템 요건들에 맞게 조정될 수 있다. 패러데이 회전자들(404), 패러데이 아이솔레이터들 및 포켈스 셀들(405)은 기생 반사가 시스템의 저에너지 부분을 손상시키는 것을 방지하고, 손실된 에너지를 최소화하여, 펄스를 출력하는데 사용된다. 레이저 릴레이 및 이미지 처리 시스템들(406)은, 레이저 공간 변조를 최소화하고 에너지가 증가함에 따라 빔을 확장시켜, 레이저 손상의 회피를 돕고, 에너지의 효율적인 추출을 허용하는데 사용된다. 레이저 시스템(407)의 출력은 인쇄 엔진으로, 궁극적으로 분말 베드로 지향될 수 있다.
임의의 펄스형 레이저 소스(401)는 임의 파형 발생기와 같은 펄스 전기 신호 소스 또는 레이저 다이오드와 같은 연속-레이저-소스에 작용하는 등가물을 포함한다. 일부 실시예들에서 이것은 또한 음향-광학 또는 전기 광학 변조기에 의해 변조되는 섬유 레이저 또는 섬유 발사 레이저 소스를 통해 달성될 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서 포켈스 셀을 사용하는 높은 반복율의 펄스형 소스는 임의의 길이의 펄스 열을 생성하는데 사용될 수 있다.
레이저 신호에 높은 이득을 제공하기 위해 다양한 전치-증폭기 모듈들(402)이 사용되는 반면, 광학 변조기들 및 아이솔레이터들은, 광학 손상을 줄이거나 방지하고, 신호 컨트라스트를 개선하고, 시스템(400)의 낮은 에너지 부분들에 대한 손상을 방지하기 위해, 시스템 전체에 분산될 수 있다. 광 변조기들 및 아이솔레이터들(404)은 포켈스 셀들, 패러데이 회전자들, 패러데이 아이솔레이터들, 음향-광학 반사기들, 또는 볼륨 브래그 격자들을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 전치-증폭기 모듈들(402)은 다이오드 펌핑 또는 플래시 램프 펌핑된 증폭기일 수 있고, 단일 및/또는 다중-경로 또는 공동 유형의 아키텍처들로 구성될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 여기서 전치-증폭기라는 용어는 전력 증폭기(403)(큰)에 비해 열적으로 제한되지 않는(즉, 더 작은) 증폭기들을 지정하는데 사용된다. 전력 증폭기들은 일반적으로 레이저 시스템 내의 최종 유닛들이 되도록 배치되며, 열 파괴 또는 과도한 열 렌즈 작용를 포함하되 이에 국한되지 않는 열 손상에 취약한 제 1 모듈이 될 것이다.
전치-증폭기 모듈들(402)은 에너지 효율에 지나치게 관심이 없는 시스템들에서 사용 가능한 단일 경로 전치-증폭기들을 포함할 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템들을 위해, 다중경로 전치-증폭기들은 다음 단계로 진행하기 전에 각 전치-증폭기(402)로부터 많은 에너지를 추출하도록 구성될 수 있다. 특정 시스템에 필요한 전치-증폭기들(402)의 수는 시스템 요건들 및 각 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 다중경로 전치-증폭은 각도 다중화 또는 편광 스위칭(예 : 파장판들 또는 패러데이 회전자들을 사용하여)을 통해 달성될 수 있다.
대안적으로, 전치 증폭기(402)는 재생 증폭기 유형의 구성을 갖는 공동 구조들을 포함할 수 있다. 이러한 공동 구조들이 전형적인 기계적 고려 사항들(공동의 길이)로 인해 최대 펄스 길이를 제한할 수 있지만, 일부 실시예들에서 "백색 셀" 공동들이 사용될 수 있다. "백색 셀"은 각 경로에 작은 각도 편차가 추가되는 다중 경로 공동 아키텍처이다. 입구 및 출구 경로를 제공함으로써, 이러한 공동은 입구와 출구 사이에 매우 많은 수의 경로들을 갖도록 설계되어, 증폭기의 큰 이득과 효율적인 사용을 허용할 수 있다. 백색 셀의 한 예는 빔이 축에서 약간 벗어나 입사되고, 미러가 기울어져, 반사들이 다수의 경로 후 미러에 링 패턴을 생성하는 공 초점 공동이 될 수 있다. 입사 및 미러 각도들을 조정함으로써, 경로들의 수가 변경될 수 있다.
전력 증폭기 모듈들(403)은 또한, 펌핑되는 다이오드 또는 플래시램프가 있는지의 여부에 관계없이 시스템이 요구하는 반복율의 동작을 가능케 하는 충분한 열 관리를 지원하면서, 시스템 에너지 요건들을 충족하기에 충분한 저장 에너지를 제공하는데 사용된다.
증폭된 레이저 빔의 공간적 및 시간적 진폭은 제어하기 어렵다. 레이저 증폭기 시스템의 거의 모든 양상은 광학 수차들, 열 유도된 파면 오류들, 하드웨어 진동들, 열 복굴절 편광 손실들, 온도 의존 이득, 레이저 펄스 자체의 간섭, 레이저 내부 표면들로부터 증폭된 반사들, 및 많은 다른 사항들을 포함하여 레이저 빔에 부정적인 영향들을 준다. 이러한 영향들 모두는 전파중인 빔의 공간적 및/또는 시간적 균질성을 감소시키는 경향이 있다. 일반적으로 레이저 애플리케이션은 균일 성과 높은 밝기를 필요로 한다. 한 가지 해결책은 시스템에서 위의 모든 수차를 처리하여 매우 작은 스폿에 집중될 수 있거나 전달 위치로 이미지 처리될 수 있는 회절 제한 빔을 달성하는 것이다. 이것은 일반적으로 낮은 효율성을 초래하고, 이미지 처리의 경우 여전히 종종 불완전한 진폭 제어를 산출하는 매우 어려운 문제이다. 다른 방법은 본질적으로 빔의 많은 샘플들을 만들고 이들을 근거리에 중첩시킴으로써 달성되는 빔 균질화이다. 이 방법은 빔에 발산을 추가하고, 달성 가능한 최소 스폿 크기를 증가 시키지만 원하는대로 근거리 또는 원거리 모두에서 공칭 평평한 상단 프로파일 빔들을 달성할 수 있은 이점을 산출한다. 이 방법의 어려움은 본질적으로 모든 빔 샘플들의 간섭의 최대치들과 최소치들인 레이저 "얼룩"의 존재이다. 이 얼룩은 강도 스파이크들이 광학계를 손상시킬 수 있기 때문에 레이저 시스템 자체에 문제를 야기하고, 또한 노출, 절단, 용접, 접합 또는 분말 베드 융합 적층 제조를 위한 레이저 사용-지점에서 비-균일 플럭스를 초래한다.
얼룩을 제 시간에 "흔듦"("wiggling")에 의해 레이저 "얼룩"을 해결하는 여러 방법들은, 빔 편향기들(음향-광학, 전기-광학, 기계적), RF 위상 변조기들 및 파장 분할 다중화를 포함한다. 또한, 스펙트럼 대역폭 추가 및 증가된 각도 함량을 통해, 심지어 함께 얼룩의 콘트라스트를 감소시키고 전체 레이저 시스템의 견고성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 다수의 비-상관 소스들의 무차별 대입을 통해 레이저 빔 자체의 공간적 또는 시간적 일관성을 감소시킬 수 있다.
전력 증폭기들의 열 관리는 증폭기의 기하학적 구조(막대들, 판들, 디스크들), 냉각 방향(가장자리 냉각, 면 냉각) 및 냉각 매체(고체 전도, 액체 또는 가스) 모두에서 많은 실시예들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 판 증폭기 전송 표면들의 유체 냉각은 높은 평균 전력을 달성하기 위한 확장 가능한 방법을 제공할 수 있다. 인쇄용 레이저 시스템들의 한 가지 특징은 인쇄기 이미지 평면에서 레이저의 균일 성과 균질성이 중요하다는 것이다. 유체는 레이저 파장에 투과형인 모든 유형이 될 수 있다. 레이저 파장이 900 내지 1100nm 사이인 경우, 실리콘 오일, 물, 증류수와 같은 액체들, (헬륨과 같은) 희가스 또는 불활성 가스들, 또는 H2, N2, 02 또는 CO2와 같은 다른 기체들이 사용될 수 있다. 가스 냉각 방법의 추가 이점은, 가스의 난류 흐름이 "얼룩"이 제 시간에 따라 움직이도록 하여 인쇄 성능을 향상시킴으로써 레이저 빔의 균질성을 향상시킬 수(반점 감소) 있고, 레이저 손상을 야기할 수 있는 높은 피크 강도들로부터 다운스트림 광학계를 보호할 수 있다는 점이다.
전력 증폭기 모듈들(403)은 단일 및/또는 다중-경로 또는 공동 유형의 아키텍처들로 구성될 수 있다. 증폭기 모듈들은 에너지 효율성에 지나치게 관심이 없는 시스템들에서 사용될 수 있는 단일 경로 증폭기들을 포함할 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템들을 위해, 다중경로 증폭기들은 다음 단계로 진행하기 전에 각 증폭기로부터 많은 에너지를 추출하도록 구성될 수 있다. 특정 시스템에 필요한 증폭기들의 수는 시스템 요건들과 각 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 다중경로 전치-증폭은 각도 다중화, 편광 스위칭(파장판들, 패러데이 회전자들)을 통해 달성될 수 있다.
대안적으로, 전력 증폭기들(403)은 재생 증폭기 유형의 구성을 갖는 공동 구조를 포함할 수 있다. 전치-증폭기 모듈들(402)과 관련하여 논의된 바와 같이, 일부 실시예들에서 백색 셀 공동들은 전력 증폭(403)를 위해 사용될 수 있다.
이해되는 바와 같이, 레이저 플럭스 및 에너지는 적절한 열 관리 및 광학적 분리를 갖는 더 많은 전치-증폭기들 및 증폭기들을 추가함으로써 이러한 아키텍처에서 크기 조정될 수 있다.
본 발명의 많은 수정들 및 다른 실시예들은 전술한 설명들 및 관련된 도면들에 제시된 교시들의 이점을 갖는 당업자들에게 상도될 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들에 제한되지 않으며, 수정들 및 실시예들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된 것으로 이해된다. 본 발명의 다른 실시예들이 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소/단계의 부재 하에 실시될 수도 있음이 또한 이해된다.

Claims (29)

  1. 적층 제조 방법으로서:
    분말 베드(power bed)를 제공하는 단계;
    하나 이상의 펄스들을 포함하고 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스 열을 상기 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향시키는 단계; 및
    상기 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 녹이고 융합하는 단계를 포함하는, 적층 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분말 입자들의 10 중량% 미만이 상기 정의된 2차원 구역 외부의 영역들로 분출되는, 적층 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 성형된 레이저 빔 펄스 열은, 임의의 펄스 레이저 소스, 적어도 하나의 전치-증폭기 및 적어도 하나의 전력 증폭기를 포함하는 시스템에 의해 제공되는, 적층 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 플럭스는 상기 분말 베드에서 20kW/㎠ 내지 10GW/㎠ 인, 적층 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 분말 베드의 상기 정의된 2차원 구역은 0.000025㎠ 내지 1,000㎠인, 적층 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분말 베드의 두께는 1 내지 2000㎛의 범위, 25 내지 250㎛의 범위 및 50 내지 100㎛의 범위 중 적어도 하나인, 적층 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 예비 후광(halo) 테스트에 의해 형성된 후광의 검출된 영역에 응답하여, 레이저 빔 에너지, 펄스 폭 또는 상기 정의된 2차원 구역의 영역 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는 교정 단계를 더 포함하는, 적층 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 예비 후광 시험에 의해 형성된 후광의 검출된 영역에 응답하여, 시간의 함수로서 펄스 형태, 펄스들의 수 또는 펄스 피크 전력 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함하는 교정 단계를 더 포함하는, 적층 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 예비 후광 테스트에 의해 형성된 후광 영역을 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 후광의 검출된 반경은 상기 정의된 2차원 구역을 넘어 50 마이크론보다 크게 설정되는, 적층 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 사용된 상기 분말은 상기 분말 베드에서 10GW/㎠ 미만의 펄스 레이저 강도를 사용하여 직경이 100,000㎛ 미만인, 적층 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 사용된 상기 분말은 상기 분말 베드에서 20 kW/㎠ 초과의 펄스 강도를 사용하여 직경이 500㎛ 미만인, 적층 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 레이저 시간 펄스폭은 20 나노초 내지 100 마이크로초인, 적층 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 1보다 큰 펄스들의 수를 갖는 레이저 펄스 열이 이용되는, 적층 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 펄스 피크 전력은 시간의 함수로서 조정되는, 적층 제조 방법.
  15. 2차원 인쇄용 레이저 시스템으로서:
    레이저 펄스 신호 소스;
    레이저 빔을 수신하여 광학 격리 디바이스 향해 지향시키는 하나 이상의 전치-증폭기 모듈들; 및
    상기 광학 격리 디바이스로부터 레이저 빔을 수신하여 이를 분말 베드의 정의된 2차원 구역을 향해 지향시키는 하나 이상의 증폭기 모듈들을 포함하는, 2차원 인쇄용 레이저 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 레이저 펄스 신호 소스는 구형파, 램프, 임의의 미리정의된 펄스 형태, 또는 펄스 열 중 적어도 하나를 제공할 수 있는, 2차원 인쇄용 레이저 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 광학 격리 디바이스는 포켈스 셀(Pockels cell), 패러데이 회전자, 패러데이 아이솔레이터, 음향-광학 반사기, 또는 볼륨 브래그 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있는, 2차원 인쇄용 레이저 시스템.
  18. 레이저 제어 방법으로서:
    제 1 레이저 빔을 제공하기 위해, 전치-증폭기 모듈 및 광학 변조기 또는 격리 디바이스를 향해 레이저 펄스 신호 소스를 지향시키는 단계; 및
    하나 이상의 펄스들을 포함하고 사용 지점에서 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스 열을 제공하기 위해 증폭기 모듈을 향해 제 1 레이저 빔을 지향시키는 단계를 포함하는, 레이저 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 플럭스는 사용 지점에서 20kW/㎠ 내지 10GW/㎠인, 레이저 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 레이저 시간 펄스 폭은 20 나노초와 100 마이크로초 사이인, 레이저 제어 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 1보다 큰 펄스 수들을 갖는 레이저 펄스 열이 이용되는, 레이저 제어 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 피크 전력은 시간의 함수로서 조정되는, 레이저 제어 방법.
  23. 제 18 항에 있어서, 상기 성형된 레이저 빔 펄스 열은 0.000025㎠와 1,000㎠ 사이의 크기로 된 2차원 구역에 지향되는, 레이저 제어 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 성형된 레이저 빔 펄스 열은 적층 제조 스테이션의 사용 지점으로 지향되는, 레이저 제어 방법.
  25. 제 18 항에 있어서, 상기 성형된 레이저 빔 펄스 열은, 상기 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융 및 융합시키기 위해, 적층 제조 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향되는, 레이저 제어 방법.
  26. 적층 제조 방법으로서,
    분말 베드를 둘러싸고, He, Ar, Ne, Kr, Xe, C02, N2, 02, SF6, CH4, CO, N20, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, i-C4H10, C4H10, 1-C4H8, cic-2,C4H7, 1,3-C4H6, 1,2-C4H6, C5H12, n-C5H12, i-C5H12, n-C6H14, C2H3C1, C7H16, C8H18, C10H22, C11H24, C12H26, C13H28, C14H30, C15H32, C16H34, C6H6, C6H5-CH3, C8H10, C2H50H, CH30H 및 iC4H8 중 적어도 하나를 포함하는 분위기를 갖는 인클로저를 제공하는 단계;
    하나 이상의 펄스들을 포함하고 20 kW/㎠보다 큰 플럭스를 갖는 성형된 레이저 빔 펄스 열을 상기 분말 베드의 정의된 2차원 구역에 지향시키는 단계; 및
    상기 정의된 2차원 구역 내에서 분말을 용융시키고 융합시키는 단계를 포함하는, 적층 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 분위기는 부피 기준으로 적어도 1%의 헬륨인, 적층 제조 방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 인클로저 내의 분위기는 0 내지 100 bar의 절대 압력으로 유지되는, 적층 제조 방법.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 인클로저 내의 분위기는 20 내지 5000 켈빈 온도로 유지되는, 적층 제조 방법.
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