KR20220025079A - 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스 - Google Patents

금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스 Download PDF

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KR20220025079A
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powder
mode
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매튜스 브라이언
호페 루카스
모레이라 오소리오 레스터
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다이렉티드메탈 3디 에스엘
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Abstract

적층 가공(AM), 레이저 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스가 개시된다. 멀티 모드 레이저 디바이스는, 단일의 디바이스를 통해 정밀하게 제어된, 직접 금속 증착 프린팅, 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 수행하도록, 축외, 고체-상태 다이오드 또는 다이오드 펌핑된 레이저를 어레이로 구성한다. 동일 디바이스에서 금속 와이어 및 분말 공급재료 소스를 사용하는 듀얼-모드 프린팅, 클래딩 및 용접 능력은 인-라인 제어, 정밀 와이어 공급 드라이버/컨트롤러, 조정가능한 차폐 가스 확산기, 및 와이어 공급재료 직경에 맞추어진 노즐을 구비한다.

Description

금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스
본 발명은 일반적으로 레이저 기반 적층 가공(AM), 레이저 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱 방법을 사용하는 레이저 기반 제조의 분야에 관한 것이다. 레이저 AM, 레이저 클래딩 및 레이저 용접(비자열 모드(non-autogenous mode)) 프로세스는, 컴퓨터 제어 하에 기판에 금속의 층 구조를 형성하기 위해 레이저 초점이 금속 공급 재료(와이어 및/또는 분말)와 교차하는 작업 표면에 다수의 레이저 빔을 포커싱하도록 분산 레이저 광원을 활용하는 직접 금속 증착(DMD) 프로세스를 채용한다. 레이저 용접(자열 모드(autogenous mode)), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱 프로세스는, 컴퓨터 제어 하의 작업 표면의 용접(자열), 컷팅, 텍스처링 또는 폴리싱을 가능하게 하기 위해 레이저 초점(들)이 금속 기판과 교차하는 작업 표면에 다수의 레이저 빔을 포커싱하도록 분산 레이저 광원을 활용한다.
Breinan과 Kear에 의해 1978년에 층별(layer-by-layer) 레이저 에너지원 증착 방법을 사용하는 3차원 금속 부품의 제조가 처음 보고되었다. 1982년에, 디스크 및 나이프-에지 에어 시일을 포함하는 소정의 가스 터빈 엔진 부품의 제조에서 특정 애플리케이션을 갖는 벌크의, 신속히 고화되는 금속 입자의 생산을 위한 방법을 설명하는 미국특허 제4,323,756호가 Brown 외에게 허여되었다. 이러한 3차원 레이저-보조 금속 증착 프로세스는 DMD(Direct Metal Deposition)라고 일컫는 적층 가공(AM; Additive Manufacturing)의 분야를 포함한다.
최근, 전 세계의 여러 그룹은 금속 부품의 제조를 위한 상이한 유형의 적층 가공 기술을 연구하고 있다.
최근의 혁신은 3차원 부품을 제조하기 위해 DMD 노즐을 통해 금속 공급 재료에 빔을 포커싱하도록 레이저를 사용하는, 다축 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기계와 레이저의 통합을 포함한다. CAD(Computer Aided Design) 및 CAM(Computer Aided Manufacturing) 소프트웨어는 정밀한 3차원 부품 렌더링을 제작하기 위해 노즐을 구동하도록 DMD 프로세스와 통합된다. 종래의 접근방식은 노즐을 사용하며, 금속 공급 재료가 동축 또는 측면 공급 메커니즘을 통해 노즐을 통해 도입되는 상태에서 레이저 빔이 노즐의 중심을 통해 진입한다. 미국특허 제7,765,022호는 2010년에 다이오드 레이저 소스를 사용하여 이 구성을 활용하는 접근방식을 소개하였다. 다이오드 레이저 소스의 사용은, DMD 프로세스를 정밀하게 제어하기 위해 전력 조정에 대한 응답 시간을 개선함에 의해 이점을 제공한다. 미국특허 제7,765,022호에서 중앙 다이오드 레이저 시스템이 광학 모니터 및 측면 장착 분말/와이어/테이프 전달 시스템과 결합된다. 이 접근방식에서는, 와이어 또는 분말 공급 재료가 사용되지만, 동일 DMD 디바이스 내에서 와이어 또는 분말 공급 재료를 사용할 수 있는 능력은 제공되지 않는다. 공급 재료를 용융시키기 위해, 축외(off-axis) 다이오드 레이저 섬유 또는 다이오드-펌핑된 고체-상태 레이저 섬유의 어레이의 사용과 결합된, 동일 DMD 디바이스에 있어서의 중심축을 통한 와이어 또는 분말 공급 재료의 촉진은, 상호 참조된 관련 애플리케이션을 참조함을 제외하고 제시되지 않았다.
특허 CN 109338359 A는, 고속 레이저 코팅 헤드가 관여하는 다수의 레이저 빔과 다수의 금속 분말 스트림의 정밀한 매칭을 위한 고속 레이저 클래딩 헤드로서, 헤드에서의 금속 분말의 사용률이 가능한 한 높으며 막힘(jam)이 없도록 다수의 금속 분말 스트림과 다수의 레이저 빔을 매칭시키는 고속 레이저 클래딩 헤드를 기재한다. 코팅 헤드는 컬럼 고정 베이스, 천이(transition) 커넥션 슬리브 및 분말 공급 헤드를 포함한다.
이 디바이스는 다음을 포함하는 일련의 제한을 갖는다:
● 에너지가 광섬유를 통해 헤드로 전달되는 외부 레이저를 포함하며, 이로 인해 에너지 손실과 열, 기계적 상호작용 및 작동 중 레이저 방사의 반사로 인한 섬유 파손 및 섬유 커넥터 손상의 가능성이 있다.
● 기재된 시스템은 분말 클래딩 작업에만 적용되며, 적층 가공, 와이어 또는 파워 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱에는 적용되지 않는다.
● 기재된 시스템은 분말 클래딩 작업에만 적용되며, 적층 가공, 와이어 또는 파워 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱에는 적용되지 않는다.
● 시스템은 레이저 반사 보호를 다루지 않는다. 이로 인해 시스템의 최종 수명이 단축되어 레이저를 생성하는 부품이 파괴될 수 있다.
● 본 발명에 관여하는 레이저의 수는 2 또는 3개의 레이저이다.
● 시스템은 분말만 처리할 수 있다.
● 시스템은 프로세스의 중요한 측면인 불활성 가스 분배를 기재하지 않았다.
● 시스템은 멀티 빔 분말 노즐에만 적용된다.
● 시스템은 헤드 커넥션을 다루지 않는다.
이러한 제한은 WO 2011082582 A1, CN 107083550 A, CN 108637251 A 및 US 2017050268 A1에도 동일하게 적용된다.
단일 디바이스를 통해 레이저 출력, 와이어 및 분말 증착, 인라인 프로세스 제어, 와이어 공급 드라이버/정밀 제어 및 차폐 가스를 전달하는 고유한 방법을 제공하는, 콤팩트한 멀티 레이저 헤드에서의 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스가 개시된다. 멀티 모드 레이저 디바이스는 3D 금속 프린터, CNC 기계, 레이저 셀, 레이저 안전 인클로저, 및 로봇과 갠트리 시스템(gantry system)에서의 사용을 포함하여, 다수의 금속 프린팅 플랫폼 내에서의 구현을 촉진하는 광범위한 레이저 기반 금속 제조 애플리케이션을 위한 콤팩트한 솔루션을 제공한다. 다른 실시형태는, 광범위한 멀티 모드(예를 들어, 일반적으로 AM/레이저 클래딩과 같은 단일 또는 듀얼 적용 모드)를 통합하지 않고, 재료(와이어 또는 분말)가 동축으로 또는 측면으로부터 진입하는 상태에서, 레이저가 증착 헤드의 중심을 통해 진입하는 것을 사용한다.
멀티 모드 레이저 디바이스는, 콤팩트한 사이즈, 및 야외 또는 불활성 분위기 환경에서 작동할 수 있는 능력으로 인해, 광범위한 시스템에서 작동될 수 있다.
AM, 레이저 클래딩 및 레이저 용접(비자열 모드) 실시형태에서, 증착 재료는 정확한 초점에서 재료 공급 및 작업편과 일치하도록 각을 이루는 멀티 레이저로부터의 레이저 에너지와 함께 헤드의 중심 축을 통해 진입한다. 멀티 섬유-결합 다이오드 레이저 또는 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체-상태 레이저(DPSSL)는 고효율 레이저 출력을 제공한다. 각 레이저는 컴퓨터 제어 하에 독립적으로 다루어질 수 있어서 각 레이저의 출력을 개별적으로 조정할 수 있는 능력을 제공하고 용융 풀(pool)의 성형을 허용한다. 설계는, 재료 공급의 정밀 모니터링 및 조정과 함께 동축 배열을 통해 별도의 채널에 있는 와이어 및 분말 공급 재료를 특징으로 포함한다. 설계는, 냉각제, 차폐 가스, 분말 유동 및 와이어 공급을 제공하는 다수의 내부 채널을 포함한다. 차폐 가스는 광학 부품을 보호하고 조정가능한 컨피겨레이션을 통해 빌드 표면을 덮기 위해 전달된다. 프로세스 피드백 제어는 증착을 최적화하기 위해 프로세스 파라미터의 연속적인 조정을 제공한다. 콤팩트한 도관(conduit)이 냉각제, 공급 재료 및 차폐 가스를 포함하는 공급 라인을 둘러싼다.
단일 디바이스는 공급 증착 헤드, 복수의 축외 레이저 빔, 인라인 프로세스 제어 시스템, 하나 이상의 축외 또는 동축 분말 공급 재료 노즐, 와이어 공급 드라이버 및 와이어 공급 재료를 거리 측정 프로브로서 사용할 수 있는 정밀 제어, 및 차폐 가스 보호로 구성된다.
도 1은, 공급 및 레이저 커넥션을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 측면도를 도시한다.
도 2는, 공급 및 레이저 커넥션을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 절단 측면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는, 외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체 상태 레이저(DPSSL)(들), 또는 내부 섬유-결합 또는 무섬유 고체-상태 다이오드 레이저 또는 고체-상태 레이저를 포함하지만 이에 국한되지 않는 복수의 레이저 광원으로부터 발하여지는 복수의 레이저 빔을 예시하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 확대도를 도시한다. 다수의 레이저는 레이저 제조 프로세스의 에너지원을 포함하는 정밀하게 지향된 초점으로의 고효율 출력을 전달하기 위해 잠금 메커니즘으로 정밀하게 조정가능하며 고정할 수 있는(securable) 삽입 가능한 레이저 조립체로서 구성된다.
도 4a 및 도 4b는 레이저 섬유, 레이저 섬유 커플링, 시준 및 포커싱 광학계, 차폐 가스 보호 및 냉각 시스템의 배열을 예시하는, 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스의 실시형태에 대한 외부 섬유-결합 삽입 가능한 레이저 조립체의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는, 내부 고체 상태 다이오드 레이저(들), 시준 및 포커싱 광학계, 차폐 가스 보호, 후면 반사 보호, 통합 조준 빔 및 냉각 시스템의 배열을 예시하는, 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스의 실시형태를 위한 내부 섬유-결합 또는 무섬유 삽입 가능한 레이저 조립체의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 6은, 통합 와이어 공급(풀) 시스템을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도를 도시한다.
도 7은, 와이어 공급 재료 오리피스, 분말 공급 재료 노즐, 분말 공급 재료 노즐 오리피스, 프로세스 가스 오리피스 및 레이저 빔과 함께 중앙 증착 노즐을 예시하는 디바이스의 저면을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 저면도를 도시한다.
도 8은, 와이어 공급 채널을 둘레방향으로 둘러싸 위치되는 분말의 개별 시준된 제트(jet)를 제공하는 다수의 독립적 축외 분말 노즐 또는 원뿔형 노즐 공급 분배로서 분말을 동축으로 전달하기 위한 두 가지 방법을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 저면도를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는, 분리가능한 차폐 가스 확산기와 함께, 프로세스의 작업 표면에 대한 공급 채널 및 프로세스 가스 분배를 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는, 공급 도관에 포함된 유입 공급 라인에 대한 레이저 디바이스의 신속한 분리 및 신속한 재연결을 용이하게 하는 헤드 공급 넥 커플링(head supply neck coupling)을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도, 단면도 및 확대도를 도시한다. 공급 라인은 외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 DPSSL을 위한 레이저 섬유의 라우팅/관리에 더하여, 전기, 수냉, 프로세스 가스, 와이어 재료 가이드 채널 및 분말 공급 커넥션을 포함한다.
도 11은, 노즐로 후퇴될 때 와이어 공급 재료를 거리 측정 프로브로서 사용함으로써 작업 표면까지 노즐의 거리의 자동 정밀 제어를 허용하는 와이어 공급 재료의 팁을 자동으로 감지하기 위한 와이어 재료 위치 센서를 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 단면도를 도시한다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는, 복수의 축외 레이저 빔을 갖는 단일의 디바이스를 통한 (독립적으로 또는 동시적으로) 금속 와이어 및 금속 분말을 사용하는 AM, 레이저 클래딩 또는 레이저 용접(비자열 모드)을 위한 방법을 도시한다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는, 복수의 축외 레이저 빔을 갖는 단일의 디바이스를 통한 레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 위한 방법을 도시한다.
도 1은 공급 및 레이저 커넥션을 특징으로 포함하는, 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 측면도를 도시한다. 도 1에는 외부 섬유-결합 다이오드 레이저, 외부 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체 상태 레이저(DPSSL), 또는 내부 섬유-결합 또는 무섬유 고체-상태 다이오드 레이저, 축외 레이저 빔 애퍼처(110), 축외 레이저 광선(115), 와이어 재료 공급(125), 및 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120)을 포함하지만 이에 국한되지 않는 축외 레이저 광원(105)이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 와이어 공급 재료(125)는 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120)에서 복수의 축외 레이저-섬유 소스와 결합함으로써 금속 증착에 사용된다. 일부 실시형태에서, 와이어 공급 제공(supply) 채널은 증착 헤드를 통해 차폐 가스를 제공할 수 있다. 금속 분말의 가능한 동시 발생적 또는 동시적 제공 및 공급은 도 1에 도시되지 않았다. 증착 공급 원료는 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120)을 향한 재료 공급으로서 나타난다.
도 2는 공급 및 레이저 커넥션을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 절단 측면도를 도시한다. 단면도인 것에 더하여, 도 2는 도 1로부터의 추가 피처를 도시한다. 도 2에는 중심축 와이어 재료 가이드 채널(135) 및 중심 증착 노즐(130)이 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b는, 외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체 상태 레이저(DPSSL)(들), 또는 내부 섬유-결합 또는 무섬유 고체-상태 다이오드 레이저를 포함하지만 이에 국한되지 않는 복수의 레이저 광원(105)으로부터 발하여지는 복수의 레이저 빔(115)을 예시하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 확대도를 도시한다.
다수의 레이저는 레이저 제조 프로세스의 에너지원을 포함하는, 정밀하게 지향된 초점(120)으로의 고효율 출력을 전달하기 위해 잠금 메커니즘(140)으로 정밀하게 조정되며 고정할 수 있는(securable) 삽입 가능한 레이저 조립체(140)로 구성된다. 또한 도 3a 및 도 3b에는, 멀티 모드 레이저 디바이스(145) 및 중앙 증착 노즐(130)을 위한 장착 구조가 도시되어 있다.
외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체 상태 레이저(DPSSL)(들), 또는 내부 섬유-결합 또는 무섬유 고체 상태 다이오드 레이저를 포함하지만 이에 국한되지 않는 복수의 레이저 광원(105)으로부터 발하여지는 복수의 축외 레이저 빔(115)은, 복수의 축외 레이저 빔에 의한 (독립적으로 또는 동시적으로) 금속 와이어 및 금속 분말을 사용하는 AM, 레이저 클래딩 또는 레이저 용접(비자열 모드)에 대한 도 12 및 복수의 축외 레이저 빔에 의한 레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱에 대한 도 13에 기재된 레이저 제조 프로세스의 에너지원을 포함하는, 정밀하게 지향된 초점(120)으로의 레이저 에너지를 제공한다.
복수의 축외 레이저 광원(105)은 레이저 제조 프로세스의 초점(120)에 레이저 빔(115)을 전달한다. 잠금 메커니즘(140)으로 정밀 조절가능하며 고정할 수 있는 삽입 가능한 레이저 조립체의 설계는, 레이저 빔(115)이 레이저 제조 프로세스의 초점(120)에 수렴하는 것을 보장하도록 축외 레이저 광원(105)을 정밀하게 정렬하는 것을 허용한다.
일부 실시형태에서 멀티 모드 레이저 디바이스의 설계는, 레이저 빔의 초점(120)에서 생성되는 용융 영역의 에너지 효율에 대한 프로세스 최적화, 및 레이저 광원(105)을 손상시킬 수 있는 정 반사(후면 반사 또는 다른 레이저 렌즈/섬유 조립체로의 반사)의 가능성을 최소화하는 것과 같은 다른 고려사항에 대한 최적화를 용이하게 하도록, 수직으로부터 레이저 빔(115)의 기울기에 있어서의 각도 변동을 허용한다. 일부 실시형태에서 복수의 축외 레이저 빔(115)은 수직으로부터 1 내지 30도 기울어진다. 일부 실시형태에서 복수의 축외 레이저 빔(115)은 수직으로부터 30 내지 60도 기울어진다.
멀티 모드 레이저 디바이스(145)를 위한 장착 구조는, 프린트 인클로저, 로봇 시스템, 갠트리(gantry) 시스템, 또는 컴퓨터 수치 제어 시스템, 또는 다른 기계 내에 레이저 디바이스를 고정하는 것(securing)을 가능하게 한다.
도 4a 및 도 4b는 레이저 섬유(150), 레이저 섬유 커플링(155), 시준 및 포커싱 광학계(160), 레이저 빔 애퍼처(110), 차폐 가스 보호(170) 및 냉각 시스템(165)의 배열을 예시하는, 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스의 실시형태에 대한 외부 섬유-결합 삽입 가능한 레이저 조립체의 사시도 및 단면도를 도시한다. 각 레이저 빔 애퍼처(110)는, 그의 각 레이저 빔(115)을 둘러싸며, 레이저 광원(105)을 손상시킬 수 있는 정 반사(후면 반사 또는 다른 레이저 렌즈/섬유 조립체로의 반사)의 가능성을 최소화하도록 그의 출구 지점에서 정밀하게 제조된 애퍼처로 설계되었다. 보호성 차폐 가스는 미립자, 먼지 또는 연기가 레이저 빔 애퍼처(110)로 들어가 시준 및 포커싱 광학계(160)에 손상을 일으킬 가능성을 줄이도록 차폐 가스 보호 채널(170)을 통해 전달된다. 또한, 차폐 가스 보호 채널(170)을 통해 전달되는 보호성 차폐 가스는, 레이저 제조 프로세스의 초점(120)으로의 불활성 가스의 전달을 용이하게 하고, 이는 열 영향 영역에서의 산화를 줄이기 위해 AM, 레이저 클래딩, 레이저 용접, 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱 프로세스에 대해 바람직하다.
멀티 모드 레이저 디바이스의 본체는 삽입 가능한 레이저 조립체에 대한 구조 및 지지를 제공한다. 레이저 광원(105)의 축외 구성은, 멀티 모드 레이저 디바이스에 있어서 단일 또는 다수의 레이저 빔(115)의 통합을 허용한다. 기본 컨피겨레이션에서, 3개의 축외 레이저 광원(105)이 각 레이저 광원(105) 사이에 120도 회전 대칭을 갖고 채용되지만, 다른 축외 구성도 실행가능하며 일부 실시형태에서 사용될 수 있다. 설계는, 축외 레이저 아키텍처로부터 이점을 얻는데, 왜냐하면 도 7 및 도 8에 대해 예시되고 논의된 바와 같이, 축외 레이저 아키텍처는 원주 방향으로 추가적인 레이저 광원(105)을 통합하고, 축상(on-axis) 분말 및 와이어 재료 공급을 허용함으로써 레이저 출력의 스케일링을 허용하기 때문이다.
일부 컨피겨레이션은 상이한 파장 및 출력의 레이저를 사용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원(105)은 대략 700 ㎚ 내지 1 ㎜의 파장에서 적외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원은 대략 400 내지 700 ㎚의 파장에서 가시 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원은 대략 180 내지 400 ㎚의 파장에서 자외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 레이저 제조 프로세스에서 사용되는 공급 재료에 적합하게 다른 파장이 사용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 내부 고체 상태 다이오드 레이저(들)(175), 시준 및 포커싱 광학계(160), 차폐 가스 보호(170), 후면 반사 보호(185), 통합 조준 빔(180) 및 냉각 시스템(165)의 배열을 예시하는, 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스의 실시형태를 위한 내부 섬유-결합 또는 무섬유 삽입 가능한 레이저 조립체의 사시도 및 단면도를 도시한다. 시준 및 포커싱 광학계(160), 후면 반사 보호(185) 및 통합 조준 빔(180)의 실제의 배열은, 추가적인 레이저 출력을 필요로 할 수 있는 레이저 제조 애플리케이션과 연관된 제약조건에 따라, 다른 실시형태에서 변경될 수 있으며, 추가적인 보호 피처(185)는, 후면-반사를 수신 및 검출하고 각 레이저 조립체의 신속한 순간적 비활성화를 허용하도록 배치되는 광센서를 통해 달성된다.
도 5a 및 도 5b에 나타낸 설계는, 각각의 내부 섬유-결합 또는 무섬유 삽입 가능한 레이저 조립체 내에 단일 또는 다수의 내부 고체 상태 다이오드 레이저(175)(들)를 통합할 수 있도록 플렉서블하고, 이는, 각각의 레이저 조립체에의 추가적인 고체 상태 다이오드 레이저(175)의 통합을 통해 프로세스로 전달되는 최대 레이저 출력에 있어서의 증가를 허용한다. 하나보다 많은 내부 고체 상태 다이오드 레이저(175)에 의한 고출력 컨피겨레이션을 특징으로 포함하는 실시형태의 경우, 시준 및 포커싱 광학계(160), 후면-반사 보호(185) 및 통합 조준 빔(180)의 배열이 조정될 수 있지만, 기본 아키텍처 및 개념은 도 5에 도시된 것과 동일하게 유지된다. 멀티 모드 레이저 디바이스의 본체는 삽입 가능한 레이저 조립체에 대한 구조 및 지지를 제공한다. 레이저 광원(105)의 축외 컨피겨레이션은, 멀티 모드 레이저 디바이스에의 단일 또는 다수의 레이저 빔(115)의 통합을 허용한다. 기본 컨피겨레이션에서, 각각의 레이저 광원(105) 사이에 120도 회전 대칭을 갖는, 3개의 축외 레이저 광원(105)이 채용되지만, 다른 축외 컨피겨레이션도 실행가능하며 일부 실시형태에서 사용될 수 있다. 설계는, 축외 레이저 아키텍처로부터 이점을 얻는데, 왜냐하면 이는 도 7 및 도 8에 대해 예시되고 논의된 바와 같이 원주 방향으로 추가적인 레이저 광원(105)을 통합함으로써 그리고 축상 분말 및 와이어 재료 공급을 허용함으로써 레이저 출력의 스케일링을 허용하기 때문이다.
일부 컨피겨레이션은 상이한 파장 및 출력의 레이저를 사용할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원(105)은 대략 700 ㎚ 내지 1 ㎜의 파장에서 적외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원은 대략 400 내지 700 ㎚의 파장에서 가시 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 일부 실시형태에서, 복수의 레이저 광원은 대략 180 내지 400 ㎚의 파장에서 자외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발한다. 레이저 제조 프로세스에서 사용되는 피드 재료에 적합하게 다른 파장이 사용될 수 있다.
도 6은 통합 와이어 피드(풀) 시스템(190)을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도를 도시한다. 또한 도 6에는 연관된 와이어 재료 가이드 채널(135)이 도시되어 있다. 일부 실시형태에서, 통합 와이어 피드(풀) 시스템(190)은 레이저 디바이스(145, 도 3a)의 장착 구조 내에 수용된다. 다른 실시형태에서, 통합 와이어 피드(풀) 시스템(190)은 레이저 디바이스(145, 도 3a)의 장착 구조 외부에 위치된다.
자동 공급 압력 제어를 가지는 통합 와이어 풀 시스템(190)은 인접한 장비 내에 위치된 와이어 공급 스풀로부터 증착 와이어를 당기고 증착 와이어를 중앙 증착 노즐(130, 도 3a)로 전달하기 위한 제어 메커니즘으로서의 역할을 하며, 중앙 증착 노줄에서 증착 와이어는 레이저 빔의 초점(120)과 교차하여 AM, 레이저 클래딩 또는 레이저 용접(비자열 모드)을 위한 레이저 제조 프로세스에서 사용된다. 와이어의 공급 압력은, 와이어 풀 시스템(190) 모터의 토크를 자동으로 측정하고, 그리고 와이어 공급률을 조정하고 정상 상태 와이어 공급 압력을 유지하도록 모터 전류를 조정함으로써 조절된다. 다른 실시형태에서, 와이어의 공급 압력은 금속 증착 프로세스의 최적 제어를 제공하기 위해 레이저 빔(120)의 출력 레벨을 자동으로 조절하기 위해 소프트웨어에서 사용된다. 다른 실시형태에서, 레이저 빔(120)의 와이어 공급률 및 출력 레벨은 독립적으로 또는 동시적으로 조정된다. 도 7은, 와이어 공급 재료(195)를 공급하기 위한 중앙 증착 노즐(130), 분말 공급 재료(205)를 공급하기 위한 분말 공급 재료 노즐(200), 프로세스 가스 오리피스(210) 및 레이저 빔(115)을 예시하는 디바이스의 저면을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 저면도를 도시한다.
멀티 모드 레이저 디바이스의 일부 실시형태에 대해 도 9에 도시된 바와 같이 설치될 수 있는 선택적인 노즐 카울링(220, 도 9)이 도 7에는 도시되지 않았다. 노즐 카울링(220, 도 9)은 일부 레이저 제조 애플리케이션에서 프로세스 및 차폐 가스의 분배의 개선을 제공할 수 있다.
도 8은, 분말을 동축으로 전달하기 위한 2가지 방법을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 저면도를 도시한다. 첫 번째 방법은, 중앙 증착 노즐(130)과 와이어 재료 가이드 채널(135)을 둘러싸고 작업 표면에서 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120, 도 1)에 동축으로 분말의 원뿔형 분배를 제공하는 동축 원뿔형 분말 공급 재료 노즐(215)로 구성된다. 두 번째 방법은, 작업 표면에서 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120, 도 1)에 분말의 개별 시준된 제트를 제공하는 중앙 증착 노즐(130) 주위에 둘레방향으로 위치되는 다수의 독립적인 축외 분말 공급 재료 노즐(200)로 구성된다.
도 9a 및 도 9b는, 분리가능한 노즐 카울링과 함께, 프로세스의 작업 표면에 대한 프로세스 가스 분배 및 공급 채널(210)을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 단면도를 도시한다. 분리가능하고 선택적인 노즐 카울링(220)은 일부 레이저 제조 애플리케이션에서 프로세스 및 차폐 가스의 분배에 있어서의 개선을 제공할 수 있다. 프로세스 가스 채널(210)은 작업 표면에서 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120, 도 1)에 불활성 가스, 예를 들어 아르곤을 공급하는 능력을 제공한다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는, 공급 도관(230)에 포함된 유입 공급 라인에 대한 레이저 디바이스의 신속한 분리 및 신속한 재연결을 용이하게 하는 헤드 공급 넥 커플링(225)을 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도, 단면도 및 확대도를 도시한다. 공급 라인은, 외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 DPSSL을 위한 레이저 섬유(150)의 라우팅/관리(235) 외에, 전기(245), 수냉(165), 프로세스 가스(210), 와이어 재료 가이드 채널(135) 및 분말 공급 채널(205) 신속 분리/재연결 커넥션을 포함한다. 수냉 라인 피팅(fitting)(165)은 멀티 모드 레이저 디바이스를 작동 온도로 유지하기 위해 냉각수에 대한 입구 및 출구를 제공한다. 냉각제는 물과 같은 액체성 유체일 수 있다.
또한 도 10b에는, 와이어 재료를 공급 도관(230)으로부터 공급 넥 커플링(225)을 통해 멀티 모드 레이저 디바이스의 와이어 재료 가이드 채널(135)로 안내하는 것을 돕는, 와이어 재료 가이드 채널(135)의 원뿔형 피처가 도시되어 있다.
일부 실시형태에서, 이러한 원뿔형 피처는 또한, 하나보다 많은 금속 와이어가 프로세스에서 사용될 때 와이어의 통과 및 교환을 용이하게 한다.
도 11a 및 도 11b는, 중앙 증착 노즐(130)을 통해 와이어 재료 가이드 채널(135) 내로 후퇴되었을 때, 와이어 공급 재료(195)의 팁을 자동으로 감지하기 위한 와이어 재료 위치 센서(240)를 특징으로 포함하는 금속 제조 애플리케이션을 위한 멀티 모드 레이저 디바이스에 대한 실시형태의 사시도 및 단면도를 도시한다. 와이어 재료 위치 센서는, 와이어 공급 재료(195)를 거리 측정 프로브로서 사용함으로써 작업 표면까지의 멀티 모드 레이저 디바이스 중앙 증착 노즐(130) 팁의 정확한 거리를 자동으로 제어하기 위해 광전, 커패시티브(capacitive) 또는 홀 효과 전기 센서를 사용한다. 이는, 와이어 재료 가이드 채널(135)을 통해 후퇴될 때, 와이어 공급 재료(195)의 팁의 정확한 위치를 감지하고나서, 이 정보를, 레이저 제조 프로세스의 초점(120, 도 3a)까지 와이어를 정확한 거리 정밀하게 삽입하기 위해 통합 와이어 풀 시스템(190, 도 6) 자동 공급 압력 제어와 결합된 소프트웨어에서 사용하여 달성된다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는, 복수의 축외 레이저 빔(115)을 가지는 단일 디바이스를 통해, 독립적으로 또는 동시적으로 금속 와이어(195) 및 금속 분말(205)을 사용하여 AM, 레이저 클래딩 또는 레이저 용접(비자열 모드)을 위한 방법을 도시한다. 이 실시형태에서 금속 분말 공급은, 중앙 증착 노즐(130, 도 8) 및 와이어 재료 가이드 채널(135, 도 8)을 둘러싸는 동축 분말 공급 재료 노즐(215, 도 8)을 거쳐서, 또는 작업 표면에서 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120, 도 1)에 분말의 개별 시준된 제트를 제공하는, 중앙 증착 노즐(130, 도 8) 주위에 둘레방향으로 위치된 다수의 독립적인 축외 분말 공급 재료 노즐(200, 도 8)을 통해서 공급될 수 있다.
단계 305에서, 올바른 작업 거리에 멀티 모드 레이저 디바이스를 수동으로 위치설정하거나, 멀티 모드 레이저 디바이스의 작업 거리를 정밀하게 측정하고 소프트웨어 및 멀티 모드 레이저 디바이스가 장착된 3D 금속 프린터, CNC 기계, 레이저 셀, 레이저 안전 인클로저, 또는 로봇 또는 갠트리 시스템의 운동학(kinematics)을 활용하여 필요에 따라 그 위치를 자동으로 조정하기 위해 금속 와이어 재료(195), 와이어 재료 가이드 채널(135, 도 11)에 위치된 와이어 재료 위치 센서(240, 도 11) 및 통합 와이어 풀 시스템(190, 도 6) 자동 공급 압력 제어를 활용한다.
단계 310에서, 중앙 증착 노즐(130)을 통한 금속 와이어(195)의 공급 및/또는 동축 원뿔형 분말 공급 재료 노즐(215) 또는 중앙 증착 노즐(130) 주위에 둘레방향으로 위치된 복수의 분말 공급 재료 노즐(200)을 통한 금속 분말(205)의 공급을 활성화한다.
단계 315에서, 작업 표면에서 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120)에서 와이어 재료 공급(195), 및/또는 분말 공급 재료(205)의 용융을 가능하게 하기 위해 레이저 빔 애퍼처(110)를 통해 레이저 광 빔(115)을 생성하고 안내하도록 복수의 축외 레이저 광원(105)을 활성화한다.
단계 320에서, 금속 분말 오리피스(210), 및/또는 차폐 가스 보호 채널(170), 및/또는 동축 분말 공급 재료 노즐(215)을 통해 동시적으로 차폐 가스를 전달한다.
단계 325에서, 와이어 공급 재료(195) 및/또는 분말 공급 재료(205)를 금속 기판(작업 표면)과 용융시키고 융합시킴으로써 순차적으로 층상의 3차원 금속 구조를 생성한다.
단계 330에서, 금속 증착 프로세스를 제어하기 위해 와이어 재료(195) 공급률을 정밀하게 제어하고/하거나 레이저 빔(120)의 출력 레벨을 조절하도록 통합 와이어 풀 시스템(190, 도 6) 자동 와이어 공급 압력 제어를 활용한다.
단계 335에서, 제조되는 금속 구조의 빌드 높이를 주기적으로 측정하고 와이어, 분말 및 레이저 빔에 대한 초점(120)이 항상 작업 표면에서 수정되어 정렬되는 것이 보장하기 위해 작업 거리를 조정하도록 금속 와이어 재료(195), 와이어 재료 위치 센서(240, 도 11) 및 통합 와이어 풀 시스템(190, 도 6)을 자동 공급 압력 제어를 활용한다.
도 13a, 도 13b, 도 13c 및 도 13d는, 복수의 축외 레이저 빔(115)을 가지는 단일 디바이스를 통한 레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 위한 방법을 도시한다. 이 실시형태에서, 금속 분말 및 금속 와이어 공급 원료는 프로세스에 의해 사용되지 않으며 레이저 빔(115)만이 채용된다. 그러나, 금속 분말 공급 채널(동축 노즐(215, 도 8) 및/또는 다수의 독립적인 축외 분말 공급 재료 노즐(200, 도 8))이 빌드 표면을 산화 효과로부터 보호하기 위해 차폐 가스를 공급하는데 사용될 수 있다. 게다가, 금속 와이어 재료(195)는 단계 405에서 설명된 바와 같이 거리 측정 프로브로서의 역할을 행할 목적으로 존재하고 사용될 수 있다.
단계 405에서, 올바른 작업 거리에 멀티 모드 레이저 디바이스를 수동으로 위치설정하거나, 멀티 모드 레이저 디바이스의 작업 거리를 정밀하게 측정하고 소프트웨어 및 멀티 모드 레이저 디바이스가 장착된 3D 금속 프린터, CNC 기계, 레이저 셀, 레이저 안전 인클로저, 또는 로봇 또는 갠트리 시스템의 운동학(kinematics)을 활용하여 필요에 따라 그 위치를 자동으로 조정하기 위해 금속 와이어 재료(195), 와이어 재료 가이드 채널(135, 도 11)에 위치된 와이어 재료 위치 센서(240, 도 11) 및 통합 와이어 풀 시스템(190, 도 6) 자동 공급 압력 제어를 활용한다.
단계 410에서, 레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 가능하게 하기 위해 레이저 빔 애퍼처(110)를 통해 레이저 광 빔(115)을 생성하고 안내하기 위해 복수의 축외 레이저 광원(105)을 활성화한다.
단계 415에서, 금속 분말 오리피스(210), 및/또는 차폐 가스 보호 채널(170), 및/또는 동축 분말 공급 재료 노즐(215)을 통해 차폐 가스를 동시적으로 전달한다.
단계 420에서, 레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 수행한다.
이들 설명 및 도면은 본 개시의 실시형태 및 교시이다. 모든 변형은 본 개시의 사상 및 범주 내에 있다. 본 개시는, 예시되거나 논의된 실시형태로만 청구범위를 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다.
본 발명의 사상 및 범주를 일탈하지 않으면서 대상(subject matter)에 특정한 변경이 가해질 수 있다. 변경은 본 발명의 범주 내에서 가능하다. 청구항에 기재된 각 구조 또는 요소는 또한, 모든 등가 구조 또는 요소를 지칭한다. 아래의 청구범위는, 본 발명이 사용될 수 있는 형태가 무엇이든, 가능한 한 광범위하게 본 발명을 커버하도록 의도된다.

Claims (30)

  1. 멀티 모드 레이저 디바이스로서,
    a) 중심축 와이어 공급 가이드 튜브로부터 동시 증착 하우징의 중앙 증착 노즐을 통해 와이어, 분말 및 레이저에 대한 초점으로 금속 와이어를 전달할 수 있는 자동 공급 압력 제어를 가지는 통합 와이어 풀(pull) 시스템,
    b) 레이저 광선을 작업 표면에서의 초점에 전달하기 위한 복수의 축외(off-axis) 레이저 광원 - 상기 복수의 축외 레이저 광원은 복수의 삽입 가능한 레이저 조립체를 포함하고, 상기 복수의 삽입 가능한 레이저 조립체는, 후면-반사를 감지하고 각각의 레이저 조립체의 신속한 순간적 비활성화를 허용하는 포토-센서(photo-sensor)를 통한 후면-반사 보호를 포함하는 내부 고체-상태 다이오드 레이저를 포함함 -,
    c) 와이어, 분말 및 레이저에 대한 상기 초점으로 차폐 가스를 전달할 수 있는 차폐 가스 전달 시스템,
    d) 냉각 시스템을 포함하며,
    e) 적층 가공(AM; Additive Manufacturing), 레이저 클래딩(cladding), 레이저 용접(자열(autogenous) 및 비자열), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱을 수행할 수 있고,
    f) 독립적인 동축의 와이어 및 분말 공급 채널의 구현을 통해, 금속 와이어 및 금속 분말을 동시에 사용하여 적층 가공을 수행할 수 있는,
    멀티 모드 레이저 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축외 레이저 광원은 복수의 외부 섬유-결합 고체-상태 다이오드 레이저(external fiber-coupled solid-state diode laser)를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축외 레이저 광원은 복수의 외부 섬유-결합 다이오드-펌핑된 고체-상태 레이저(external fiber-coupled diode-pumped solid-state laser)를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축외 레이저 광원은 복수의 내부 섬유-결합 고체-상태 다이오드 레이저를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축외 레이저 광원은 복수의 내부 무섬유(fiber-free) 고체-상태 다이오드 레이저를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축외 레이저 광원은, 안전 잠금 메커니즘을 포함하고 정밀 조정이 가능하고 정확하게 지향된 초점으로 고효율 출력(power)을 전달할 수 있는 복수의 삽입 가능한 레이저 조립체를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 삽입 가능한 레이저 조립체는 증가된 레이저 출력을 용이하게 하도록 하나의 동일한 레이저 조립체 내에 다수의 다이오드 레이저를 수용할 수 있는 복수의 내부 고체-상태 다이오드 레이저를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 삽입 가능한 레이저 조립체는, 각각의 레이저 조립체에 각각 조율되고(coordinated) 상기 각각의 레이저 조립체의 정렬을 돕기 위해 빔을 조준할 수 있는 복수의 내부 고체-상태 다이오드 레이저를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원은 적외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원은 가시 스펙트럼 광의 레이저 광을 발하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 광원은 자외선 스펙트럼 광의 레이저 광을 발하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    작업 표면에 차폐 가스를 확산시키기 위한 제거가능한 차폐 가스 카울링(cowling)을 더 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    복수의 축외 레이저 광 렌즈 조립체가 수직으로부터 1도 내지 60도까지 기울어지는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 공급 채널은, 와이어 공급 재료가 상기 중앙 증착 노즐을 통해 그리고 와이어 재료 가이드 채널로 후퇴 될 때, 와이어 공급 재료의 팁을 자동으로 검출하기 위한 와이어 재료 위치 센서를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 와이어 재료 위치 센서는, 와이어 공급 재료가 상기 와이어 재료 가이드 채널을 통해 위로 후퇴 될 때 상기 와이어 공급 재료의 상기 팁의 정확한 위치를 감지하고, 상기 와이어를 레이저 제조 프로세스의 초점까지 정확한 거리로 정밀하게 삽입하도록 통합 와이어 풀 시스템 자동 공급 압력 제어를 계산함으로써, 작업 표면까지의 멀티 모드 레이저 디바이스 중앙 증착 노즐 팁의 정확한 거리를 자동으로 제어할 수 있는 광전 센서를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 와이어 재료 위치 센서는, 와이어 공급 재료가 상기 와이어 재료 가이드 채널을 통해 위로 후퇴 될 때 상기 와이어 공급 재료의 상기 팁의 정확한 위치를 감지하고, 상기 와이어를 레이저 제조 프로세스의 초점까지 정확한 거리로 정밀하게 삽입하도록 통합 와이어 풀 시스템 자동 공급 압력 제어를 계산함으로써, 작업 표면까지의 멀티 모드 레이저 디바이스 중앙 증착 노즐 팁의 정확한 거리를 자동으로 제어할 수 있는 커패시티브 센서(capacitive sensor)를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 와이어 재료 위치 센서는, 상기 와이어 공급 재료가 상기 와이어 재료 가이드 채널을 통해 위로 후퇴될 때 상기 와이어 공급 재료의 상기 팁의 정확한 위치를 감지하고, 상기 와이어를 레이저 제조 프로세스의 초점까지 정확한 거리로 정밀하게 삽입하도록 통합 와이어 풀 시스템 자동 공급 압력 제어를 계산함으로써 작업 표면까지의 멀티 모드 레이저 디바이스 중앙 증착 노즐 팁의 정확한 거리를 자동으로 제어할 수 있는 홀-효과 전기 센서(hall-effect electrical sensor)를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 와이어 공급 채널은, 공급 도관(conduit)으로부터 공급 넥 커플링(supply neck coupling)을 통해 상기 멀티 모드 레이저 디바이스의 상기 와이어 재료 가이드 채널로의 상기 와이어 재료의 안내를 용이하게 하는 원뿔형 피처를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 와이어 공급 채널은, 복수의 금속 와이어로부터 적어도 하나의 와이어의 통과 및 교환을 용이하게 하는 원뿔형 피처를 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  20. 제18항에 있어서,
    헤드 공급 넥 커플링은 상기 공급 도관 내에 포함된 인입 공급 라인에 대한 상기 멀티 모드 레이저 디바이스의 신속-분리 및 빠른 재연결이 가능하고, 상기 공급 라인은 전기, 수냉식, 프로세스 가스, 와이어 재료 가이드 채널 및 분말 공급 커넥션을 포함하고 외부 섬유-결합 다이오드 레이저(들) 또는 외부 섬유-결합 DPSSL을 위한 레이저 섬유의 라우팅(routing) 및 관리가 가능한, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  21. 제1항에 있어서,
    분말은 상기 와이어 공급 채널 주위에 중첩된(nested) 원뿔형 노즐로서 동축으로 전달되는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  22. 제1항에 있어서,
    분말은 상기 와이어 공급 채널을 둘레방향으로 둘러싸도록 위치된 분말의 개별 시준된 제트(jet)를 제공하는 다수의 독립적인 축외 분말 노즐에서 동축으로 전달되는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 모드 레이저 디바이스는 복수의 축외 레이저 빔으로 전달되는 금속 와이어 및 금속 분말 중 적어도 하나를 사용으로 적층 가공, 레이저 클래딩 및 레이저 용접(비자열 모드)이 가능하고, 제어 신호로서 입력되는 증착 속도, 레이저 출력, 와이어 압력 제어 및 와이어/분말 공급률의 복수의 가변 사용자-정의 프로세스 파라미터를 포함하고, 증착 품질을 최적화할 수 있는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  24. 제1항에 있어서,
    레이저 용접(자열 모드), 레이저 컷팅, 레이저 텍스처링 및 레이저 폴리싱은 복수의 축외 레이저 빔으로 달성되는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  25. 제23항에 있어서,
    다수의 분말 공급으로부터 상기 증착 노즐이나 상기 증착 노즐의 상류에서 분말을 블렌딩함으로써 재료 구배(gradient) 및 재료 블렌딩(blending)을 더 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  26. 제23항에 있어서,
    와이어 공급 매트릭스 상에 분말(들)을 블렌딩함으로써 재료 구배 및 재료 블렌딩을 더 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  27. 제23항에 있어서,
    멀티 와이어를 블렌딩함으로써 재료 구배 및 재료 블렌딩을 더 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 모드 레이저 디바이스는 공급 증착 헤드, 복수의 축외 레이저 빔, 인라인 프로세스 제어 시스템, 적어도 하나의 분말 공급 재료 노즐, 와이어 공급 드라이버 및 와이어 공급 재료를 거리 측정 프로브로서 사용할 수 있는 정밀 제어, 및 차폐 가스 보호로 구성되는 단일 디바이스로 구성되는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분말 공급 재료 노즐은 축외 분말 공급 재료 노즐을 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분말 공급 재료 노즐은 동축 분말 공급 재료 노즐을 포함하는, 멀티 모드 레이저 디바이스.
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