KR20230095943A - 위상 변화 광 밸브 시스템 - Google Patents

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KR20230095943A
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additive manufacturing
laser
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KR1020237013027A
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프랜시스. 엘. 러드
제임스 에이. 데무스
앤드류 제이. 바이라미안
매튜 무라흐베르
Original Assignee
쇠라 테크널러지스 인코포레이티드
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Abstract

적층 제조 시스템은 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하기 위한 고 출력 레이저를 포함한다. 제 2 파장에서 기록 빔에 반응하고 제 1 파장에서 반응하지 않는 위상 변화 재료를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브는 고 플루언스 레이저 빔을 패터닝하는 데 사용된다.

Description

위상 변화 광 밸브 시스템
관련 출원
본 개시 내용은 2020년 10월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제 63/107,077호의 우선권 이익을 주장하는 특허 출원의 일부이며, 전체 내용이 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술 분야
본 개시 내용은 일반적으로 위상 변화 재료를 포함하는 작동 광 밸브 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 상이한 파장에서 다르게 반응하는 위상 변화 재료의 사용은 각각의 기록 및 고 플루언스 빔(high fluence beams)을 가능하게 하기 위해 사용된다.
장기간 동안 고 플루언스에서 작동될 수 있는 고 출력 레이저 시스템은 적층 제조 및 패턴화된 고에너지 레이저의 사용으로 이점을 얻을 수 있는 기타 응용 분야에 유용하다.
본 개시내용의 비제한적 및 비포괄적 실시예는 다음의 도면을 참조하여 설명되며, 달리 명시되지 않는 한 유사한 참조 번호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1a는 광 밸브 구조 내에서의 위상 변화 냉각의 사용을 예시한다.
도 1b는 볼륨 위상 변화 광 밸브를 도시한다.
도 1c는 양자점 위상 변화 광 밸브를 예시한다.
도 1d는 메타재료 위상 변화 광 밸브를 도시한다.
도 1e는 픽셀 변형 위상 변화 광 밸브를 도시한다.
도 1f는 구조화된 재료 변형 위상 변화 광 밸브를 예시한다.
도 1g는 비선형 재료 위상 변화 광 밸브를 도시한다.
도 1h는 적응형 광학 구조에서 위상 변화 광 밸브의 사용을 예시한다.
도 2는 빔 덤프, 위상 변화 광 밸브, 및 열 엔진을 지원하는 고 플루언스 광 밸브 기반 적층 제조 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 고 플루언스 위상 변화 광 밸브 기반 적층 제조 시스템을 도시한다.
도 4는 적층 제조 시스템에 기반한 고 플루언스 위상 변화 광 밸브의 다른 실시예를 예시한다.
도 5는 폐기물 에너지의 회수 및 추가 사용을 위한 스위치야드 접근법을 포함하는 적층 제조 기반의 고 플루언스 위상 변화 광 밸브의 다른 실시예를 도시한다.
이하의 설명에서, 그 일부를 형성하고 개시가 실시될 수 있는 특정 예시적인 실시예를 예시하는 방식으로 도시되는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 명세서에 개시된 개념을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 개시된 다양한 실시예에 대한 수정이 이루어질 수 있고, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예가 활용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다.
다음 개시에서, 적층 제조 시스템은 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하기 위해 고 출력 레이저를 포함한다. 제 2 파장에서 기록 빔에 반응하고 제 1 파장에서 반응하지 않는 위상 변화 재료를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브는 고 플루언스 레이저 빔을 패터닝하는 데 사용된다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 볼륨 위상 변화를 지원한다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 양자점 위상 변화 재료이다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 메타재료 위상 변화 재료이다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 픽셀 변형(pixel strained) 위상 변화 재료이다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 구조화된 재료이다.
일부 실시예에서, 위상 변화 재료는 비선형 재료 위상 변화 재료이다.
광 밸브(LV) 기술은 광전도체 및 액정 재료에 의존하기 때문에 픽셀 속도를 전환하는 능력이 제한된다. 현재 장치는 일반적으로 그룹 현상(예: 광전도체에 걸친 전하 축적 또는 액정 셀에 걸친 편광 지연 축적)을 사용한다. 대조적으로, 위상 변화 기반 시스템은 한 상태(결정질)에서 다른 상태(비정질)로 위상 변화를 겪도록 재료의 상태를 국부적으로 수정하고 그렇게 함으로써 고 플루언스 광(반사/투과, 편광, 위상, 진폭 또는 파장)에 대한 응답을 수정한다. 위상 변화 LV의 결과 효과는 고 플루언스 광, 속도 및/또는 추가된 기능이 있는 경우 견고성이다.
유리하게는, 위상 변화 LV는 광전도체 또는 투명한 전도성 산화물(고 플루언스 광에 쉽게 파손되기 쉬운 표준 LV 내의 두 구조)을 필요로 하지 않고 대신 기록 빔의 직접 작용을 통해 재료의 한 상태에서 다른 상태로의 분자 재배열에 의존한다. 상태 변화(예: 결정에서 비정질로)가 발생하면 재료는 영향을 받는 볼륨에 대한 고 플루언스 광으로 인한 수정 영향 없이 안정적이다. 영향을 받는 볼륨은 기록 빔에 의해 변경되지 않은 볼륨과 관련하여 고 플루언스 빔에 다른 영향을 미친다. 또한 기록 빔의 강도 수준을 조정하여 영향을 받는 볼륨의 픽셀 및/또는 복셀 사이의 응력을 능동적으로 조정할 수 있으므로 고 플루언스 빔의 다양한 측면(편광, 위상, 반사, 굴절, 파장 응답)이 수정될 수 있다. 위상 변화 LV의 일부 변형에서 고 플루언스 빔을 수정할 수 있는 전환 속도는 현재 LV에서 현재 사용 가능한 것보다 훨씬 빠르다.
도 1a는 광 밸브 구조 내에서 위상 변화 냉각을 사용하는 평면 위상 변화 광 밸브 시스템(100A)을 도시한다. 활성화 재료는 지지 기판에 적용된 박막 볼륨(135A)이다. 이 배열에서, 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔(HFL, 105A)은 100A에 진입하기 전에 빔 결합기(125A)를 통과한다. HFL은 t1의 타이밍 사이클과 τ1의 펄스 폭에 대해 한 번에 파장 λ1에서 작동한다. 광학 메모리 애플리케이션에서 파장은 일반적으로 녹색(532nm) 또는 파란색(450nm)이다. 이와 동일한 유형의 애플리케이션에서, 펄스 폭은 일반적으로 기록 빔의 경우 피코초(<1ns, <0.1ns, <10ns 또는 <100ns)이고 소거 빔의 경우 10 내지 500마이크로초이다. 패턴화된 저 플루언스 기록 빔(110A)은 125A에서 반사되어 115A로서 100A에 들어간다. 기록 빔은 λ2에서 작동하고 t2에서 활성화되며 τ2의 펄스 폭과 E1의 플루언스를 갖는다. 추가로, 110A에는 λ2 또는 λ3에서 작동하지만 t3 > t2 + τ2, τ3의 펄스 지속 시간, 및 플루언스 E2인 110A(둘 다 λ2에서 작동하는 경우) 이후에만 존재하도록 시간 동기화되는 패턴화된 소거 빔(120A)이 포함된다. 일부 실시예에서, 소거 빔은 위와 동일한 타이밍 요건(t3 및 τ3)으로 λ3에서 동작하면서 기록 빔과 동시에 동작할 수 있다. 동일한 픽셀에서 작동하지 않는 경우 쓰기 및 소거 빔의 동시 작동(미디어의 얇은 필름 특성 제공)이 허용된다. 120A는 100A에 들어가기 전 125A에서 반사된 후, 130A가 된다.
기록 및 소거 빔이 동일한 파장(λ2)에서 작동하는 위상 변화 LV 작동의 예로서, 기록(110A) 및 소거(120A) 빔은 각각 E1/E2 및 τ2/τ3의 플루언스 및 펄스 폭을 가지며, 여기서 E1>E2 및 τ2<τ3이다. 기록 빔은 염화나트륨 또는 NBK7 유리와 같은 등가 결정 구조로 구성된 시드 레이어(140A) 위에 있는 일반적인 150nm 내지 2um 두께의 결정 게르마늄-안티몬-텔루륨(Ge2Sb2Te5, GST로도 알려짐, 135A) 필름을 포함하는 위상 변화 LV를 조명한다. 기록 빔은 t2에서 활성화되며 그 플루언스 및 파장은 필름이 조명되는 영역에서 GST 필름이 결정질에서 비정질로 위상 변화를 겪도록 한다. 110A의 펄스 폭(τ2)은 일 실시예에서 펄스 지속 시간이 2 내지 3피코초이고, 110A가 꺼지면 비정질 볼륨이 비정질로 고정된다.
재료가 결정질에서 비정질로 변할 때 굴절률 변화가 클 수 있으며, GST의 경우 결정질 굴절률은 일반적으로 비정질 상태에서 6.5에서 3.85로 변경된다. 또한, 135A는 결정 상태에서 복굴절이 가능하고 비정질 상태에서 균질할 수 있다. LV가 내부 전반사 또는 기타 인덱스에 민감한 수단으로 작동하여 HFL(105A)을 이미지 방식으로 수정하면 135A가 결정된 방식으로 인덱스를 크게 변경하도록 함으로써 105A가 이전에 정의된 반사 표면(135A가 결정일 때)을 통과하도록 하여 이 패턴이 적용될 수 있다. LV가 편광에 의해 작동하는 경우, 135A를 복굴절 결정에서 균질 재료로 변경하면 재료 편광 수정 속성이 꺼지고 105A에는 기록 빔 패턴이 부과된다.
소거 빔(120A)은 기록된 영역을 공격하고 그 플루언스, 파장 및 펄스 폭으로 인해 더 긴 시간 프레임에 걸쳐 기록 빔의 저전력 버전을 제공한다. 120A는 135A의 비정질 영역의 온도를 유리 전이점 이상으로 상승시키고 시드 층 템플릿에 내재된 특징으로 인해 영향을 받은 볼륨에서 또는 영향을 받지 않은 인접한 볼륨에서 재결정화가 발생할 때까지 온도를 유지한다. 120A의 펄스 폭(τ3)은 일반적으로 수십 나노초(GST의 경우)이다.
100A에서, 박막 위상 변화 매체(135A)는 GST, Sc0 . 2Sb2Te3, GeTe, Ag4In3Sb67Te26, Ge15Sb85 또는 Sb와 같은 다수의 칼코게나이드 유리를 포함하는 여러 다른 재료일 수 있다. 또한 CdTe, AZO, ZnSe, ZnS 또는 Si와 같은 다결정 재료를 사용할 수 있다. 경우에 따라 액정의 비선형 측면은 비선형이 액정과 그 배열에서 위상 변화를 일으키는 데 사용될 수 있다. 또한 양자점, 인공 유전체, 또는 위에서 언급한 이산 물질 그룹(칼코게나이드, 다결정 또는 비선형 액정)으로 구성된 메타재료를 135A에 사용할 수 있다. 이 얇은 층은 코팅된 지지 기판(145A) 또는 중간 층(140A) 상에 증착될 수 있으며, 이는 기준선 시딩 구조(baseline seeding structure), 반사 방지 스택, 열 소산 또는 절연 층 또는 지지 기판에 대한 일반적인 인터페이스로 작용할 수 있어, 접착력과 필름 기능을 돕는다.
105A에 진입하고 동작(110A)에 의해 135A에 부과된 영향받은 패턴과 상호작용하는 HFL은 100A를 떠나 패턴화된 HFL 광 및 패턴화되지 않은 HFL 광을 모두 포함하는 175A가 된다. 이 빔은 비패턴 광(185A)으로부터 패턴 HFL 광(180A)을 분할하는 패턴 판별기(190A)에 충돌한다. 180A는 베드에 영상화되는 반면 185A는 빔 덤프로 들어가거나 재포맷되거나 다른 방식으로 처리된다. 패턴 판별자는 180A와 185A를 구별하는 데 사용되는 속성에 따라 다르다. 135A의 복굴절이 변경된 경우, 190A는 편광 빔 스플리터이고, 위상인 경우, 190A는 간섭 구조 또는 위상을 진폭으로 변환할 수 있는 유사한 일관된 구조일 수 있다.
유리하게도, 종래의 LV와 비교할 때, 위상 변화 LV는 더 높은 고유의 레이저 손상 임계값을 갖는 재료로 구성된다. 정보가 위상 변화 LV에 기록되면 LV는 HFL이 LV의 상태에 영향을 주지 않고 HFL 빔과 상호 작용한다.
일 실시예는 장기 위상 변화 패턴 대기 시간을 이용한다. 프린트 베드의 다양한 영역에 인쇄해야 하는 일반적인 패턴을 쓸 수 있으며 변경 또는 수정이 필요할 때까지 추가 110A 또는 120A 조명 없이 의사 정적 이미지를 제공할 수 있다.
도 1b는 볼륨 위상 변화 광 밸브(100B)를 도시한다. τ1, 105B의 펄스 폭으로 λ1 및 t1에서 작동하는 비패턴 HFL 광은 이색 결합기(110B)를 통과하고 볼륨 위상 변화 LV(116B)에 들어가기 전에 115B가 된다. λ1/2 및 t1/2에서 펄스 폭 τ1/2(125B)로 작동하는 패턴 기록/소거 빔 광은 기록 빔(140B) 또는 소거 빔(150B)이 되기 위해 110B에서 반사되기 전에 이미징 렌즈(120B) 및 위상 지연 광 밸브(130B)를 통과한다. 116B는 상부 클래딩/시드 층(165B), 위상 변화 재료 볼륨(170B), 하부 클래딩/시드 층(175B) 및 지지 기판(180B)으로 구성된다. 140B에 의해 기록되는 패턴은 145B로 묘사되는 반면, 150B에 의해 소거되는 볼륨 패턴은 155B로 묘사된다. 이전에 기록된 패턴(160B)은 115B에 작용하여 패턴 분리기(190B)를 통과하는 패턴 및 패턴화되지 않은 특징(185B)을 모두 포함하는 HFL 빔을 생성한다. 패턴화된 HFL 빔은 195B가 되는 반면 패턴화되지 않은 빔(200B)은 빔 덤프로 전환되거나 재포맷되거나 다른 방식으로 처리된다.
볼륨 위상 변화 재료는 일반적으로 결정질 물질(위에서 언급한 것과 동일한 목록)이지만 비정질, 액정, 유리, 세라믹, 폴리머, 양자점, 인공 유전체, 플라즈몬 또는 메타재료일 수도 있다. 그것이 가져야 할 조건은 λ1(HFL 파장)에서 투명하고 비흡수성이고 λ2 및/또는 λ3(기록 및 소거 파장)에서 흡수성이 있어야 한다는 것이다. 또한, 위상 변화 재료는 감수성 비선형성(χ2 또는 χ3)을 나타낼 수 있는 재료일 수 있으므로 λ1에 대한 반응성은 없지만 λ2 및/또는 λ3에 대한 반응성은 높다.
λ2 및 λ3에 대한 노출 시 위상 변화는 λ1 광의 일부 측면이 수정되도록 하며, 여기에는 광학 위상 지연/전진(광파 패킷 또는 그룹 속도의 지연), 편광 벡터의 이동, λ1에서의 볼륨 전체 스펙트럼 응답의 변위, 115B의 진폭/강도의 수정, 115B에 대한 170B의 투과율 또는 반사율의 변화 또는 115B의 입사각에 대한 185B의 방출 각도의 변화가 포함된다.
170B 내의 위상 변화는 140B 및 150B에 포함된 패턴의 그레이 스케일 값에 따라 이산 변화 복셀을 갖는 160B에 의해 예시된 바와 같이 매우 국소적이고 이산적일 수 있거나 170B의 범위에 걸쳐 연속적인 그레이 스케일일 수 있다. 기록 또는 소거가 발생하는 깊이(Δz)는 140B/150B에 130B로 부과되는 그레이 스케일 값에 따라 다르다.
일 실시예에서, 140B 및 150B는 각각 λ2 및 λ3에서 동작할 수 있고, 이 경우 인접한 복셀에서 동시에 170B에서 작동할 수 있다. 동일한 양의 재료에 기록되고 소거하는 것이 바람직하다면, 추가 실시예는 λ2 및 λ3에서 개별적으로 작용하는 제 2 130B를 필요로 할 것이며, 이 실시예는 도시되지 않았지만 120B 이전에 추가 광학 회로를 필요로 할 것이다.
150B에 의한 임의의 복셀 볼륨의 소거는 위상 변화 재료가 원래의/초기 상태로 돌아가도록 허용하기 위해 인접한 영향을 받지 않은 볼륨 또는 165B 및 175B의 특징/구조를 사용할 것이다.
도 1c는 양자점 위상 변화 광 밸브(100C)를 예시한다. 위상 변화 재료(110C)는 평면 구조(하나의 개별 복셀을 취할 수 있음) 또는 볼륨 구조(111C로서 총괄적으로 도시된, 하나의 열에 있는 많은 개별 복셀, 3D 볼륨의 그레이 스케일 복셀 또는 3D 볼륨 전체의 아날로그 그레이 스케일)일 수 있다. λ1에서 작동하는 비패턴 HFL은 110C 내의 양자점 볼륨이 120C로 수정된 영역에서 105C에 입사한다. 지속 시간 τ1(각각 파장, 플루언스 및 시간 간격)로 λ2, I1, t1에서 작동하는 패턴화된 기록 빔이 105C에 들어가고 115C가 이 볼륨에 들어가기 전에 볼륨(110C)에 작용한다. 기록 빔은 양자점이 115C와 관련하여 광학적 특성이 변하도록 위상 변화를 일으켜 110C가 110C를 통과할 때 115C의 진폭, 위상, 편광 또는 스펙트럼 응답에 영향을 미치게 하여 110C를 떠날 때, 115C를 130C로 변화한다. 그 결과 패턴화된 HFL(130C)은 105C를 떠나 프린트 베드로 이동한다. 패턴화되지 않은 HFL 빔은 120C에 의해 지정되지 않은 영역에서 105C로 들어가고 110C 내의 변경되지 않은 양자점에 의해 영향을 받지 않고 통과하고 남아 있는 패턴화되지 않은 HFL 135C는 폐광(waste light)으로서 이동하고 이미지 재구성기인 빔 덤프 또는 스위치야드(Switchyard) 시스템으로 이송된다.
110C의 면밀한 조사는 140C에 나타나 있으며 코어가 위에서 언급한 재료 중 하나로 구성될 수 있는 양자점으로 구성된다. 양자점은 전체 치수가 115C와 공진하도록 구성되며, 이 공진은 기본 상태 또는 위상 변화 상태에서 코어 재료의 광학 특성에 따라 달라진다. 코어가 수정되면, 115C에 대한 응답의 측면이 변화되어 110C의 영향을 받는 볼륨이 120C에 의해 영향을 받지 않거나 소거 빔(150C)에 의해 더 수정되는 경우와 다르게 반응하거나 110C를 수정한다. 기록 빔(145C)은 140C로 진입하고 그것이 비추는 양자점이 위상 변화를 겪게 한다. 양자점의 코어는 λ2와 λ3에서 흡수가 있고 λ1에서 흡수가 없는 재료로 구성되어 있다.
양자점의 면밀한 검사는 155C에 나타나 있으며, λ1에서 공진하는 최외각 쉘(160C)과 λ2/λ3로 공진하는 하나 또는 그 초과의 내부 쉘 치수를 갖는 다수의 쉘로 덮인 코어(175C)로 구성된다. 내부 쉘은 버퍼 층(165C)과 시드 층(170C)을 포함한다. 165C 및 170C가 어떤 파장에서도 흡수되지 않는다는 추가 요구 사항과 함께 언급된 이 두 개보다 더 많은 쉘이 있을 수 있다. 120C의 일부는 110C에 입사하고 145C는 140C로 묘사된 110C의 하위 섹션에 입사하는 것으로 도시되며, 마찬가지로 145C의 일부는 180C로서 단일 양자점에 입사하는 것으로 도시된다. 내부 쉘 치수가 λ2에서 공진하기 때문에, 180C는 160C로 들어가고 λ2, I1 및 τ1의 작동 매개변수로 160C 내부에서 다중 반사를 겪어 코어가 (예를 들어) 결정에서 비정질로 위상 변화를 겪게 한다. 이 위상 변화는 115C에 대한 지수 및/또는 복굴절 수정과 λ1에서 공진 변화를 초래한다. 수정은 155C와 120C가 활성화되는 140C(그리고 차례로 110C)의 복셀에 있는 양자점의 앙상블을 통과할 때 115C에 영향을 미친다. 코어의 위상 변화는 190C로 표시되고 위상 변화는 155C의 상태가 185C의 경로를 따라 190C로 변경되는 것으로 표시된다.
소거 빔(150C)은 λ2 또는 λ3에서 작동하고, τ2의 지속 시간을 갖는 I2, t2는 140C에 입사하고 양자점의 코어가 (예로서) 비정질에서 시드 쉘 층(170C)의 도움으로 결정 상태로 다시 위상 변화를 겪게 한다. 단일 양자점을 갖는 소거 빔의 작용에 대한 검사는 190C로 표시되며 150C의 서브세트는 195C로 표시되고 이전에 변경된 양자점에 입사된다. 그것은 양자점에 들어가고 코어(200C)가 경로(205C)로 표시되는 원래 상태로 다시 위상 변화를 겪게 한다.
양자점의 볼륨은 양자점의 시드 층과 유사하게 정방향 또는 소거 위상 변화를 겪고 있는 볼륨에 더 가까운 독립 위상 변화의 동일한 볼륨보다 훨씬 작기 때문에 105C가 활성화/소거할 수 있다. 표준 볼륨 또는 평면 위상 변화 LV보다 훨씬 빠르다.
또 다른 실시예는 λ1에서 흡수성이도록 선택된 쉘 층(예를 들어 170C) 중 하나를 가지며 흡수성이지 않도록 175C를 갖는다. 대신, 175C는 삭제 주기 동안 복구 공정을 위한 시드 구조로 작용할 수 있다. 이는 증착 방법을 통해 볼륨 및 흡수 기능을 향상시킬 수 있으므로 소거 시간을 줄이는 데 유리하다. 추가 이점은 위상 변화 매개변수가 벌크 재료의 자연 흡수 기능에 의존하는 대신 공정에 따라 조정될 수 있으므로 위상 변화/재설정에 사용할 수 있는 잠재적 재료의 수를 늘리는 것이다.
도 1d는 메타재료 위상 변화 광 밸브(100D)를 도시한다. 메타재료 구조(110D)는 메타재료 위상 변화 LV 구조(105D)의 활성 위상 변화 재료이다. 위상 변화 수정은 115D로 예시되며 볼륨 기반 메타재료 또는 평면일 수 있고; 세부 사항에 대한 조사(155D)는 명확성을 위해 평면으로 표시된다. 패턴화되지 않은 고 플루언스 빔(120D)은 105D에 들어가고 115D와 상호작용하고 패턴화된 기록/소거 빔(125D)이 110D가 위상 변화를 겪게 하는 곳마다 105D를 떠날 때 패턴화된 HFL 빔(130D)이 된다. 120D는 t1의 λ1에서 τ1의 지속 시간으로 작동하는 반면, 125D는 기록 및 소거 빔에 대해 각각 τ2/τ3의 지속 시간으로 λ2/λ3, I2/I3, t2/t3에서 작동한다. 135D에 의해 수정되지 않은 영역에서, HFL 빔(135D)은 105D에 들어가고 110D를 통과하는 영향을 받지 않으며 패턴화되지 않은 HFL 빔(140D)으로 남게 된다. 110D의 검토는 141D로 예시된다.
기록 빔(145D)이 141B-I에 진입하고; 이 빔은 일반적으로 (일반적으로) I2>I3 및 τ2<τ3이 되도록 짧고 강렬한 플루언스를 갖는다. 145D는 141D 내에서 위상 변화 재료에 의해 흡수되어 물질이 결정 상태에서 비정질 상태로 위상 변화(예를 들어)를 겪게 되며, τ2 시간에서 이 공정이 이루어지고 물질은 재결정되기 전에 신속하게 비정질로 안정화된다. 비정질 상태는 메타재료 특성과 120D에 대한 반응을 변화시킨다. 이 응답은 스펙트럼, 편파 또는 141D의 복소 임피던스를 변경하여 λ1에서의 투과율 또는 반사율 응답이 영향을 받아 120D의 진폭, 위상, 편광 또는 105D를 떠나는 방향을 수정할 수 있다. 145D는 공간적으로 141D에 대한 이러한 수정을 수행하기 때문에 수정된 나가는 130D는 수정된 응답과 동일한 공간 패턴이다. 145D는 그레이 스케일을 지원할 수 있으며 완전한 결정질(픽셀이 활성화되지 않음)에서 완전한 비정질(픽셀이 완전히 활성화됨)까지 다양한 수준의 다결정 상태를 141D로 생성할 수 있다.
소거 빔(150D)이 141D로 들어가고 141D 내에서 흡수되어 재료가 비정질에서 결정질로 (예로서) 위상 변화를 겪고 메타재료를 원래 상태로 되돌린다. 150D도 패턴화할 수 있으며 145D에서 제공하는 것과 동일한 그레이 스케일 수준으로 픽셀을 재설정할 수 있다.
141D의 상세가 155D에 도시되어 있으며, 이는 평면 메타재료 특징부의 작은 서브세트를 보여준다. 다양한 쉘 재료와 QD 모양(구 대 타원체 대 판모양 대 다른 볼륨 모양)을 사용하여 복잡한 공진을 형성할 수 있는 구조화된 양자점을 사용하여 이 어레이의 볼륨 등가를 실현할 수 있다. 155D의 추가 세부 검사는 하나의 잠재적인 메타재료 회로의 예를 묘사하는 165D와 함께 결정질 층(160D) 위의 메타재료 회로의 배열을 묘사하는 180D에서 예시된다. 이 예시적인 메타재료 회로는 λ1에서 공진하는 특징부(170D) 및 160D와 동일한 결정질 물질로 구성된 제어 구조(175D)로 구성된다. 145D가 141D를 비추면, 175D에 초점이 맞춰지고 이 재료의 위상 변화를 일으켜 결정질에서 비정질로 변한다. 이 변화는 165D의 공진 구조와 120D에 대한 반응을 변화시켜 130D로 변화시킨다. 마찬가지로 150D가 141D를 비추면, 175D에 초점이 맞춰지고 처음에 145D로 변경된 180D의 픽셀에 더 긴 펄스 지속 시간에 걸쳐 더 낮은 플루언스로 영향을 미칠 수 있으며 160D의 시드 층과 함께, 비정질(또는 비정질을 향한 다양한 수준의 다결정)을 다시 결정(또는 결정을 향한 다른 수준의 다결정)으로 만들어지는, 영향을 받은 영역을 되돌린다. 마찬가지로, 145D의 조명으로, 150D는 180D의 공진과 120D에 대한 응답에 영향을 줄 수 있지만 141D의 상태를 초기 상태로 복원하는 데 사용된다. 145D와 150D는 λ2/λ3에서 작동한다고 명시되어 있지만 동일한 파장 λ2에서 작동할 수 있으며, 다른 매개변수(I, t 및 τ)는 재료에 따라 다르기 때문에 다를 가능성이 크다.
도 1e는 픽셀 변형된 위상 변화 광 밸브(100E)를 도시한다. 위상 변화 재료는 결정질일 수 있다. 패턴화되지 않은 편광 HFL 빔(110C)은 105E에 들어가고, 115E로 기록된 생성된 복굴절에 상관된 타원형 편광을 포함하는, 패턴화된 HFL 빔(120E)을 생성하기 위해 이미지 방식으로 110E의 편광 상태를 수정하는 이전에 패턴화된 복셀 어레이(115E)를 통과한다. 이 복굴절을 생성하는 동작은 140E로 예시된 볼륨 패턴 이미지에서 복셀(135E) 사이에 변형을 생성함으로써 생성되며, 각각의 복셀은 복셀 내의 임의의 한 층에 걸쳐 그레이스케일의 변화를 포함하는 두 개의 그레이스케일 복셀을 나타낸다. 재료가 차동 위상 변화를 겪으면서 픽셀 사이에 변형이 발생하여 픽셀 사이의 이 영역에서 제어된 복굴절을 생성한다. 이러한 작업은 결정질 또는 비정질 재료에서 수행할 수 있다. 평면(165C)에서 이미지의 위치를 측면으로 이동하면 2차원(2D) 변형 이미지가 생성될 수 있으며, 전체 볼륨에 대해 이렇게 하면 3차원(3D) 변형 필드(170C)가 생성된다. 변형은 이 좁은 영역에서 굴절률을 수정하여 3D 변형 필드로 확장될 때 110C에서 유용한 기능을 생성할 수 있는 2D 인덱스 격자를 생성한다. HFL이 코히어런트 빔(coherent beam; 130C)이기 때문에 변형 유도 지수 변화는 130E의 출력 빔이 상호 작용하고 140E를 통과하여 150E로 표시된 방향으로 145E가 될 때 130E의 코히어런트 방향으로 차동 변화를 일으킬 것이다. 105C의 위상 변화 재료가 처음에 결정질 재료로 구성되어 있다면, 복셀(115E)에 기록된 변형 패턴에 따라 각도가 조작될 수 있는 진폭 변화 공간 이미지를 생성할 수 있도록 방향성 상태뿐만 아니라 편광 상태를 동시에 수정할 수 있다. 130E가 160E에 도시된 바와 같이 105E로의 코히어런트 및 편광 인입 빔이고 픽셀-변형된 복셀이 115C 전체에 걸쳐 3D에서 영역(165C)을 중첩함으로써 생성되는 경우에, 결과적인 3D 변형(170C)은 볼륨 위상 및 진폭 구조를 160E로 인코딩하고, 105E를 통과한 후에는 176C가 된다. 복잡하게 인코딩된 175E는 105C로부터의 거리에서 단일 또는 다중 로브(180C) 출력을 허용하여 105E가 고체 상태 스캐너 및/또는 이미지 재구성기를 위한 동적 위상 어레이로 작동할 수 있도록 한다. 겹치는 부분(165E)은 155C에서 설명한 것의 확장이다.
도 1f는 구조화된 재료 변형 위상 변화 광 밸브(100F)를 도시한다. 이 실시예에서, 구조화된 재료는 순전히 결정질 또는 비정질 위상 변화 재료에 대한 대체물로서 사용된다. 구조화된 재료는 위의 재료 세트를 포함하지만 자연 발생 형성된 층에 의해 제공되는 대신 증착될 수 있다. 이 실시예에서 구조화된 재료(110F)는 변형 위상 변화 LV(105F) 내의 위상 변화 볼륨이다. 정의된 형상을 갖고 선택적으로 패턴화될 수 있는(120F) 들어오는 HFL(115F)은 105F에 들어가 이전에 인코딩된 변형 복셀(125F)과 상호 작용하고, 105F를 나갈 때 130F로서 이 볼륨 구조를 포함한다. 이제 130F의 일부인 120F로 전송된 복셀 정보는 나가는 HFL이 120F와 다른 패터닝(135F) 및 임의의 프로파일을 얻기 위해 이미지 재구성이 가능하도록 한다.
도 1g는 비선형 재료 위상 변화 광 밸브(100G)를 도시한다. 이 실시예에서, 비선형 광학 또는 전기 광학 특성을 갖는 재료는 λ1(HFL 빔 작동 파장에서)에 영향을 미치지 않는 λ2에서 작동하는 기록 빔에 의해 수정될 수 있다. 이러한 재료 중 하나는 네마틱 및 등방성 상의 액정(LC)이다. 일반적으로 이러한 단계에 존재하는 많은 수의 LC가 있으며 여기서 이름을 지정하기에는 너무 많고 3차 자화율(χ3)로 인해 (예를 들어) 청색 및 UV 범위(및 λ2를 가짐)에서 기록/소거 빔과 상호 작용할 수 있어 그들의 선형 전기 광학 특성이 근적외선(NIR) 파장에 대해 수정되고; 이러한 재료는 또한 NIR 빔에 의한 수정 효과(선형 또는 비선형)가 없다. 시스템(100G)은 χ3 공정을 통한 수정 조건을 사용하는 위상 변화 LV를 예시한다. 비선형 활성화 위상 변화 LV에서, LV(105G)는 상단 기판(110G), LC(120G)의 볼륨이 배향되는 초기 패턴을 생성하는 상부 정렬 층(115G), LC에 대한 종단 정렬 배열을 허용하는 하부 정렬 층(125G) 및 하부 기판(130G)으로 구성된다. 패턴화되지 않은 HFL 빔(135G)은 기록 빔에 의해 어드레싱되지 않는 영역에서 104G로 들어가고 영향을 받지 않고 105G를 통과하여 140G가 되고; 이 빔은 빔 덤프 또는 스위치야드로 들어가거나 그렇지 않으면 재구성된다. 패턴화된 기록 빔(145G)이 존재하는 영역에서, 120G의 LC는 χ3 자화율을 통해 활성화(155G)되고 네마틱(nematic, 구조화) 위상과 등방성(구조화되지 않음) 위상(160G) 사이에서 위상 변화를 겪는다. 이 변화는 영향을 받는 LC(155G)의 굴절률에 큰 변화를 일으키고 들어오는 패턴화되지 않은 HFL(150G)이 패턴화되고 105G가 패턴화된 HLFL 빔(165G)으로 떠난다. 복셀(voxel, 155G)에 있는 위상 변화의 예는 170G에 표시되며 여기서 네마틱 LC의 기호 세부 사항은 LC 평면이 기판과 정렬되고 볼륨(120G)에 걸쳐 서로 정렬된 185G로 표시된다. 145G가 120G의 볼륨을 비추면, LC는 네마틱에서 등방성으로 위상 변화(185G는 190G를 따라 180G로 변경)를 겪고 λ1에서의 굴절률은 패턴화되지 않은 150G가 패턴화된 165G가 되도록 변경된다. 효과는 일반적으로 <10us로 매우 빠를 수 있다. 기록 빔이 이 복셀의 조명을 중단하면, 인접한 LC 분자는 영향을 받은 영역을 네마틱 위상으로 재구성하여 굴절률을 다시 네마틱 상태로 되돌리는데, 이는 100'의 마이크로초 및 1ms보다 훨씬 더 짧은 시간 내에 발생하여, 190G와 함께 180G를 185G로 변경한다.
도 1h는 적응형 광학 구조(100H)에서 위상 변화 광 밸브의 사용을 예시한다. 이 실시예에서, 위상 변화 LV는 LUIS의 분석 모듈(이 시스템의 검출 모듈을 포함함) 및 LUIS의 이미지 전송 및 스캐닝 모듈을 사용하여 피드백 루프에 통합되며, 둘 다 임시 출원된 미국 출원 SEUR-04100에 설명되어 있다.
이 배열에서, 위상 변화 광 밸브(105H)는 AM 시스템에서의 사용을 포함할 수 있는 고 플루언스 레이저 시스템의 피드백 보정 시스템에서 보조 LV로 사용된다. 이 구성에서, 패턴화된 HFL 빔(110H)은 다이크로익 빔 스플리터(115H)를 통과하여 적응형 광학 제어 루프 시스템(100H)으로 들어가 105H로 들어가고 통과하는 120H(여전히 패턴화된 HFL 빔)가 된다. 위상 변화 LV(105H)는 초기에는 활성화되지 않고 그 위상 변화량에 어떠한 패턴도 포함되지 않으므로 120H는 105H를 거쳐 130H가 된다. 이 초기(기준선) 빔은 LUIS의 분석 모듈(135H)을 통과하며 일부는 참조 이미지를 형성하기 위해 남아 있고 나머지는 LUIS의 이미지 전송 및 스캐닝 조립체(145H)로 전파된다. 이미지 전송 조립체(145H)는 130H를 목적지(이는 AM 베드 또는 다른 작동 환경일 수 있음)로 전송하며, 여기서 130H는 그 광학적 특성을 교란 및 수정하고 145H를 통해 다시 이 빔의 일부를 반사하는 환경과 상호 작용하여 여기서 피드백 빔(150H)으로 묘사된 140H의 왜곡된 버전이 된다. 피드백 빔에는 잠재적인 인쇄 오류를 나타내는 웨이브프론트 오류, 빔 문제로 인한 의도하지 않고 보증되지 않은 인쇄 오류, 또는 현재 및 미래의 인쇄 영역을 손상시키고 시간에 따라 빠르게 변경될 수 있는 광학적 결함이 포함된다(피드백 수정 루프를 통해 수정에 적용 가능). 이 피드백 빔(150H)은 135H로 되돌아오고 130H로부터 형성된 기준선의 도움으로 분석되고 105D를 구동하는 패턴 생성기(160H)로 공급되는 135H로부터의 웨이브프론트 에러(155H) 출력을 형성한다. 패턴 생성기(160H)는 광학 위상 LV(175H)를 통해 이미징 렌즈(170H)를 통과하고 180H를 통해 105H를 수정하는 115H에 의해 110H와 동일 선상이 되는 기록/소거 빔(165H)에 각인되는 패턴을 생성하여 120H로 수정한 다음 수정된 HFL 빔(185H)이 된다. 수정된 185H는 동일한 공정을 거쳐 110H를 추가로 정제한다. 수정 빔(185H)은 다운스트림의 모든 요소 및 환경과 상호 작용하여 초기 130H에서 명백한 초기 수차 및 왜곡을 개선하므로 시간이 지남에 따라 이러한 수차가 실시간으로 최소화된다.
적층 제조 시스템에서 시스템(100H)의 설명된 실시예를 사용하면 선형 광학 수차 및 로컬 핫/콜드 스폿(local hot/cold spot)과 같은 광학 왜곡이 수정될 수 있어 인쇄된 부품에서 더 나은 해상도의 이미지가 가능하다. 국부적인 온도 변화로 인한 용융 풀의 전반적인 변동을 줄여 밀도 및 전단 픽셀 응력을 더 잘 제어할 수 있다. 110H가 대기 및 배달 환경에서 유사한 수차가 있는 무기 기반 시스템의 일부인 경우 유사한 문제를 수정할 수 있다. 일반적으로, 시스템(100H)은 운송 및 종점 전달에 일차가 존재하고 결함이 의도된 표면/볼륨과의 최대 에너지/전력 교환을 감소시키는 임의의 유형의 110H 시스템에서 사용될 수 있다.
다양한 파장의 광범위한 레이저가 기술된 위상 변화 광 밸브 시스템과 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 가능한 레이저 유형은 가스 레이저, 화학 레이저, 염료 레이저, 금속 증기 레이저, 고체 레이저(예: 섬유), 반도체(예: 다이오드) 레이저, 자유 전자 레이저, 가스 동적 레이저, "니켈 유사(Nickel-like)" 사마륨 레이저, 라만 레이저 또는 핵 펌핑 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
가스 레이저에는 헬륨-네온 레이저, 아르곤 레이저, 크립톤 레이저, 크세논 이온 레이저, 질소 레이저, 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저 또는 엑시머 레이저와 같은 레이저가 포함될 수 있다.
화학 레이저는 불화수소 레이저, 불화중수소 레이저, 화학적 산소-요오드 레이저(COIL) 또는 모든 기상 요오드 레이저(Agil)과 같은 레이저를 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 레이저. 루비듐 또는 기타 알칼리 금속 증기 레이저도 사용할 수 있다. 고체 레이저에는 Ruby 레이저, Nd:YAG 레이저, NdCrYAG 레이저, Er:YAG 레이저, 네오디뮴 YLF(Nd:YLF) 고체 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트(Nd:YVO4) 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨 칼슘 옥소보레이트(Nd:YCa4O(BO3)3) 또는 간단히 Nd:YCOB, 네오디뮴 유리(Nd:유리) 레이저, 티타늄 사파이어(Ti:사파이어) 레이저, 툴륨 YAG(Tm:YAG) 레이저, 이테르븀 YAG(Yb:YAG) 레이저, 이테르븀:2O3(유리 또는 세라믹) 레이저, 이테르븀 도핑 유리 레이저(막대, 판/칩 및 섬유), 홀뮴 YAG(Ho:YAG) 레이저, 크롬 ZnSe(Cr:ZnSe) 레이저, 세륨 도핑된 리튬 스트론튬(또는 칼슘) 불화알루미늄(Ce:LiSAF, Ce:LiCAF), 프로메튬 147 도핑 인산염 유리(147Pm+ 3:유리) 고체 레이저, 크롬 도핑 크리소베릴(알렉산드라이트) 레이저, 에르븀 도핑 안더븀-이테르븀 공동 도핑 유리 레이저, 3가 우라늄 도핑 불화칼슘(U:CaF2) 고체 레이저, 2가 사마륨 도핑 불화칼슘(Sm:CaF2) 레이저 또는 F-센터 레이저와 같은 레이저를 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 유형을 포함할 수 있다.
도 2는 적층 제조 시스템(200)에서 본 명세서에 개시된 것과 같은 위상 변화 광 밸브의 사용을 예시한다. 레이저 소스(202)는 레이저 전치 증폭기 및/또는 증폭기(204)를 통해 레이저 빔을 위상 변화 광 밸브(206)로 향하게 한다. 패터닝 후, 광은 프린트 베드(210) 내로 지향될 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 소스(202), 레이저 전치 증폭기 및/또는 증폭기(204), 또는 능동적으로 냉각된 광 밸브(206)로부터의 열 또는 레이저 에너지는 능동적으로 또는 수동적으로 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(beam dump; 208)로 전달될 수 있다. 광 밸브 기반 적층 제조 시스템(200)의 전체 작동은 레이저 출력 및 타이밍을 수정할 수 있는 하나 또는 그 초과의 제어기(220)에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 다양한 전치 증폭기 또는 증폭기(204)는 레이저 신호에 높은 이득을 제공하기 위해 선택적으로 사용되는 반면, 광 변조기 및 아이솔레이터는 시스템 전체에 분산되어 광 손상을 줄이거나 방지하고, 신호 대비를 개선하고, 시스템(200)의 더 낮은 에너지 부분에 대한 손상을 방지한다. 광 변조기 및 아이솔레이터는 포켈 셀, 패러데이 회전자, 패러데이 아이솔레이터, 음향 광학 반사기, 또는 볼륨 브래그 격자를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 전치 증폭기 또는 증폭기(204)는 다이오드 펌핑 또는 플래시 램프 펌핑 증폭기일 수 있고 단일 및/또는 다중 패스 또는 공동 유형 아키텍처로 구성될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 여기에서 전치 증폭기라는 용어는 열적으로 제한되지 않는 증폭기(즉, 더 작음) 대 레이저 증폭기(더 큼)를 지정하는 데 사용된다. 증폭기는 일반적으로 레이저 시스템(200)의 최종 유닛이 되도록 배치될 것이며 열 파괴 또는 과도한 열 렌징(thermal lensing)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 열 손상에 취약한 제 1 모듈이 될 것이다.
레이저 전치 증폭기는 에너지 효율에 지나치게 관심이 없는 시스템에서 사용할 수 있는 단일 패스 전치 증폭기를 포함할 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템을 위해, 다중 패스 전치 증폭기는 다음 단계로 진행하기 전에 각각의 전치 증폭기(204)로부터 많은 에너지를 추출하도록 구성될 수 있다. 특정 시스템에 필요한 전치 증폭기(204)의 수는 시스템 요구 사항 및 각각의 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 다중-패스 전치 증폭기는 각도 다중화 또는 편광 전환(예: 파장판 또는 패러데이 회전자 사용)을 통해 달성할 수 있다.
대안적으로, 전치 증폭기는 재생 증폭기 유형 구성을 갖는 공동 구조를 포함할 수 있다. 이러한 공동 구조는 일반적인 기계적인 고려 사항(공동의 길이)으로 인해 최대 펄스 길이를 제한할 수 있지만, 일부 실시예에서, "화이트 셀(white cell)" 공동이 사용될 수 있다. "화이트 셀"은 각각의 패스에 작은 각도 편차가 추가되는 다중 패스 공동 아키텍처이다. 입구 및 출구 경로를 제공함으로써 이러한 공동는 입구와 출구 사이에 매우 많은 패스를 갖도록 설계되어 증폭기의 큰 이득과 효율적인 사용을 허용한다. 화이트 셀의 한 가지 예는 축선에서 약간 벗어난 빔이 주입되고 미러가 기울어져 반사가 여러 번 통과한 후 미러에 링 패턴을 생성하는 공초점 공동(confocal cavity)이다. 주입 및 미러 각도를 조정하여 패스 수를 변경할 수 있다.
증폭기는 또한 시스템 에너지 요구 사항을 충족하기 위해 충분한 저장 에너지를 제공하는 동시에 다이오드 또는 플래시 램프 펌핑 여부에 관계없이 시스템에서 요구하는 반복 속도로 작동할 수 있도록 충분한 열 관리를 지지하는 데 사용된다. 작동 중에 생성된 열 에너지 및 레이저 에너지는 모두 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(208)로 향할 수 있다.
증폭기는 단일 및/또는 다중 패스 또는 공동 유형 아키텍처로 구성될 수 있다. 증폭기에는 에너지 효율에 지나치게 관심이 없는 시스템에서 사용할 수 있는 단일 패스 증폭기가 포함될 수 있다. 보다 에너지 효율적인 시스템을 위해, 다음 단계로 이동하기 전에 각각의 증폭기에서 많은 에너지를 추출하도록 다중 패스 증폭기를 구성할 수 있다. 특정 시스템에 필요한 증폭기의 수는 시스템 요구 사항 및 각각의 증폭기 모듈에서 사용 가능한 저장된 에너지/이득에 의해 정의된다. 멀티패스 사전 증폭은 각도 다중화, 편광 전환(파장판, 패러데이 회전자)을 통해 달성할 수 있다. 대안적으로, 증폭기는 재생 증폭기 유형 구성을 가진 공동 구조를 포함할 수 있다. 전치 증폭기와 관련하여 논의된 바와 같이, 증폭기는 전력 증폭에 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(200)의 작동 중에 생성된 열 에너지 및 레이저 에너지는 열 전달, 열 엔진, 냉각 시스템, 및 빔 덤프(208)로 향할 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 일부 실시예에서, 빔 덤프(208)는 다른 산업 공정에 유용한 열을 제공하는 열 전달 시스템의 일부가 될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열은 기계적, 열전기적, 또는 전기적 파워를 생성하기에 적합한 열 엔진에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 연결된 구성요소의 온도를 증가시키기 위해 폐열이 사용될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 적절한 열 관리 및 광학적 절연을 갖춘 더 많은 전치 증폭기 및 증폭기를 추가하여 이 아키텍처에서 레이저 플럭스와 에너지를 확장할 수 있다. 냉각 시스템의 열 제거 특성에 대한 조정이 가능하며 펌프 속도를 높이거나 냉각 효율을 변경하여 성능을 조정하기 위해 사용된다.
도 3은 본 개시 내용에 기술된 위상 변화 광 밸브를 수용할 수 있는 적층 제조 시스템(300)을 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)는 위상 변화 광 밸브 및 레이저 증폭기 및 전술한 바와 같은 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적층 제조 시스템(300)은 레이저 패터닝 시스템(310)의 일부로서 1차원 또는 2차원 지향성 에너지를 제공할 수 있는 레이저를 사용한다. 일부 실시예에서, 1차원 패터닝은 선형 또는 곡선 스트립, 래스터 라인, 나선형 라인, 또는 다른 적절한 형식으로서 지향될 수 있다. 2차원 패터닝에는 분리되거나 겹치는 타일 또는 다양한 레이저 강도의 이미지가 포함될 수 있다. 사각형이 아닌 경계를 갖는 2차원 이미지 패턴이 사용될 수 있고, 겹치거나 상호 침투하는 이미지가 사용될 수 있으며, 이미지는 둘 또는 그 초과의 에너지 패터닝 시스템에 의해 제공될 수 있다. 레이저 패터닝 시스템(310)은 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)를 사용하여 하나 또는 그 초과의 연속적 또는 간헐적 에너지 빔(들)을 빔 성형 광학 장치(314)를 향하여 지향시킨다. 성형 후, 필요한 경우, 전송형 또는 반사형 광 밸브를 포함하며, 일반적으로 일부 에너지는 거부 에너지 취급 유닛(318)으로 향하는 레이저 패터닝 유닛(316)에 의해 빔이 패턴화된다. 거부 에너지 취급 유닛은 도 1a 내지 도 1d와 관련하여 논의된 바와 같은 광 밸브의 능동 냉각에 의해 제공되는 열을 이용할 수 있다.
패터닝된 에너지는 이미지 릴레이(320)에 의해 물품 처리 유닛(340)을 향해, 일 실시예에서는 베드(346) 근처에 초점이 맞춰진 2차원 이미지(322)로서 중계된다. 베드(346)(선택적 벽(348) 포함)는 재료 분배기(342)에 의해 분배되는 재료(344)를 포함하는 챔버를 형성할 수 있다(예: 금속 분말). 이미지 릴레이(320)에 의해 유도된 패터닝된 에너지는 용융, 융합(fuse), 소결, 합병(amalgamate), 결정 구조 변경, 응력 패턴에 영향을 미치거나 그렇지 않으면 분배된 재료(344)를 화학적 또는 물리적으로 수정할 수 있어 원하는 속성을 가진 구조를 형성한다. 제어 프로세서(350)는 다양한 센서, 액추에이터, 가열 또는 냉각 시스템, 모니터 및 제어기에 연결되어 레이저 소스 및 증폭기(들)(312), 빔 성형 광학 장치(314), 레이저 패터닝 유닛(316), 및 이미지 릴레이(320), 및 시스템(300)의 임의의 다른 구성요소의 작동을 조정할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 연결은 유선 또는 무선, 연속적 또는 간헐적일 수 있고 피드백 기능을 포함할 수 있다(예를 들어, 열 가열은 감지된 온도에 따라 조정될 수 있음).
일부 실시예에서, 빔 성형 광학 장치(314)는 결합, 포커싱, 발산, 반사, 굴절, 균질화, 세기 조정, 주파수 조정, 또는 다른 방식으로 레이저 소스 및 증폭기(들)(312)로부터 수신된 하나 또는 그 초과의 레이저 빔을 레이저 패터닝 유닛(316)을 향하여 성형 및 지향하기 위해 매우 다양한 영상 광학 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각 별개의 광 파장을 갖는 다수의 광빔은 파장 선택 거울(예를 들어, 이색성) 또는 회절 요소를 사용하여 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 빔은 다면 거울, 마이크로렌즈 및 굴절 또는 회절 광학 요소를 사용하여 균질화되거나 결합될 수 있다.
레이저 패터닝 유닛(316)은 정적 또는 동적 에너지 패터닝 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 레이저 빔은 고정 또는 이동 요소가 있는 마스크로 차단할 수 있다. 이미지 패터닝의 유연성과 용이성을 높이기 위해, 픽셀 어드레서블 마스킹, 이미지 생성 또는 전송을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 패터닝 유닛은 패터닝을 제공하기 위해 단독으로 또는 다른 패터닝 기구와 함께 어드레싱 가능한 광 밸브를 포함한다. 광 밸브는 전송형, 반사형 또는 전송형 및 반사형 요소의 조합을 사용할 수 있다. 전기적 또는 광학적 어드레싱(addressing)을 사용하여 패턴을 동적으로 수정할 수 있다. 일 실시예에서, 광학적으로 어드레싱된 전송형 광 밸브는 밸브를 통과하는 광의 편광을 회전시키는 역할을 하고, 광학적으로 어드레싱된 픽셀은 광 투사 소스에 의해 정의된 패턴을 형성한다. 다른 실시예에서, 광학적으로 어드레싱된 반사형 광 밸브는 판독 빔의 편광을 수정하기 위한 기록 빔을 포함한다. 특정 실시예에서, 광학적으로 어드레싱되지 않은 광 밸브가 사용될 수 있다. 이들은 전기적으로 어드레싱할 수 있는 픽셀 요소, 이동 가능한 미러 또는 마이크로-미러 시스템, 피에조 또는 마이크로-작동 광학 시스템, 고정 또는 이동 가능한 마스크 또는 실드, 또는 고강도 광 패터닝을 제공할 수 있는 임의의 다른 기존 시스템을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
거부 에너지 취급 유닛(318)은 패턴화되지 않고 이미지 릴레이(320)를 통과하는 에너지를 분산, 방향 전환 또는 활용하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛(318)은 레이저 소스, 광 밸브(들), 및 증폭기(들)(312) 및 레이저 패터닝 유닛(316) 모두로부터 열을 제거하는 수동 또는 능동 냉각 요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛은 레이저 패턴을 정의하는데 사용되지 않는 임의의 빔 에너지를 흡수하고 열로 변환하는 "빔 덤프"를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 거부된 레이저 빔 에너지는 빔 성형 광학 장치(314)를 사용하여 재활용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 거부된 빔 에너지는 가열 또는 추가 패터닝을 위해 물품 처리 유닛(340)으로 향할 수 있다. 특정 실시예에서, 거부된 빔 에너지는 추가적인 에너지 패터닝 시스템 또는 물품 처리 유닛으로 향할 수 있다.
일 실시예에서, "스위치야드(switchyard)" 스타일의 광학 시스템이 사용될 수 있다. 스위치야드 시스템은 인쇄할 패턴으로 인해 원치 않는 빛이 거부되어 적층 제조 시스템에서 낭비되는 빛을 줄이는 데 적합한다. 스위치야드에는 복잡한 패턴의 세대(이 경우, 공간 패턴이 구조화 또는 구조화되지 않은 빔에 부여되는 평면)에서 일련의 스위치 지점을 통한 전달까지의 방향 전환이 포함된다. 각각의 스위치 지점은 선택적으로 입사 빔의 공간 프로필을 수정할 수 있다. 스위치야드 광학 시스템은 예를 들어 마스크가 빛에 적용되는 레이저 기반 적층 제조 기술에 활용될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 유리하게는, 본 발명에 따른 다양한 실시예에서, 버려지는 에너지는 균질화된 형태로 또는 높은 전력 효율 또는 높은 처리율을 유지하기 위해 사용되는 패턴화된 광으로서 재활용될 수 있다. 또한 버려지는 에너지를 재활용 및 재사용하여 강도를 높여 더 어려운 재료를 인쇄할 수 있다.
이미지 릴레이(320)는 레이저 패터닝 유닛(316)으로부터 직접 또는 스위치야드를 통해 패터닝된 이미지(1차원 또는 2차원)를 수신하고 그것을 물품 처리 유닛(340)을 향해 안내할 수 있다. 빔 성형 광학 장치(314)와 유사한 방식으로, 이미지 릴레이(320)는 결합, 포커싱, 발산, 반사, 굴절, 세기 조정, 주파수 조정, 또는 그렇지 않으면 패턴화된 광을 형성하고 지향시키는 광학 장치를 포함할 수 있다. 패턴이 있는 빛은 실질적인 물리적 움직임이 필요하지 않은 이동식 거울, 프리즘, 회절 광학 요소 또는 고체 광학 시스템을 사용하여 방향을 지정할 수 있다. 복수의 렌즈 조립체 중 하나는 배율을 갖는 입사광을 제공하도록 구성될 수 있으며, 렌즈 조립체는 제 1 세트의 광학 렌즈와 제 2 세트의 광학 렌즈 모두이며, 광학 렌즈의 제 2 세트는 렌즈 조립체로부터 교환 가능하다. 보정 갠트리에 장착된 하나 또는 그 초과의 미러 세트와 구축 플랫폼 갠트리에 장착된 최종 미러 세트의 회전을 사용하여 전구체 미러의 입사광을 원하는 위치로 보낼 수 있다. 보정 갠트리 및 구축 플랫폼 갠트리의 병진 이동은 또한 물품 처리 유닛(340)의 전구체 미러로부터 입사광의 거리가 이미지 거리와 실질적으로 동일함을 보장할 수 있다. 실제로 이것은 시스템의 높은 가용성을 보장하면서 다양한 재료에 대한 빌드 영역의 여러 위치에서 광학 빔 전달 크기와 강도를 신속하게 변경할 수 있다.
물품 처리 유닛(340)은 벽으로 둘러싸인 챔버(348) 및 베드(344)(집합적으로 구축 챔버를 정의함), 및 재료를 분배하기 위한 재료 분배기(342)를 포함할 수 있다. 재료 분배기(342)는 분배, 제거, 혼합, 재료 유형 또는 입자 크기의 그라데이션 또는 변화를 제공하거나 재료의 층 두께를 조정할 수 있다. 재료는 금속, 세라믹, 유리, 폴리머 분말, 고체에서 액체로 그리고 다시 고체로 열적으로 유도된 상 변화를 겪을 수 있는 다른 용융 가능한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 재료는 용융 가능한 재료와 용융 가능하지 않은 재료의 합성물을 더 포함할 수 있으며, 녹지 않는 재료를 따라 남기거나 기화/파괴/연소 또는 기타 파괴적인 과정을 거치게 하는 동안 구성 요소 중 하나 또는 둘 다는 용융 가능한 구성 요소를 용융시키기 위해 이미징 릴레이 시스템에 의해 선택적으로 표적화될 수 있다. 특정 실시예에서, 슬러리, 스프레이, 코팅, 와이어, 스트립 또는 재료 시트가 사용될 수 있다. 송풍기, 진공 시스템, 쓸기, 진동, 흔들기, 기울이기 또는 베드(346)의 반전을 사용하여 일회용 또는 재활용을 위해 불필요한 재료를 제거할 수 있다.
재료 취급 구성요소에 더하여, 물품 처리 유닛(340)은 3D 구조를 유지 및 지지하기 위한 구성요소, 챔버를 가열 또는 냉각하기 위한 기구, 보조 또는 지지 광학 장치, 및 모니터링 또는 재료 또는 환경 상태를 조정하기 위한 센서 및 제어 기구를 포함할 수 있다. 물품 처리 유닛은, 전체적으로 또는 부분적으로, 진공 또는 불활성 기체 분위기를 지지하여 원치 않는 화학적 상호 작용을 줄이고 화재 또는 폭발(특히 반응성 금속의 경우) 위험을 완화할 수 있다. 일부 실시예에서, Ar, He, Ne, Kr, Xe, CO2, N2, O2, SF6, CH4, CO, N2O, 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, C2H3Cl, C7H16, C8H18, C10H22, C11H24, C12H26, C13H28, C14H30, C15H32, C16H34, C6H6, C6H5-CH3, C8H10, C2H5OH, CH3OH, iC4H8을 함유하는 것을 포함하는, 다양한 순수 분위기 또는 다른 분위기의 혼합물이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉매 또는 큰 불활성 분자(육불화황을 포함하나 이에 제한되지 않음)가 사용될 수 있다. 선택된 백분율의 불활성/비반응성 가스와 함께 적어도 약 1 용적%의 He(또는 개수 밀도)를 갖는 인클로저 분위기 조성이 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 분말 베드를 유지하기 위한 구축 플랫폼을 각각 갖는 복수의 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버는 하나 또는 그 초과의 입사 에너지 빔을 수용하고 이를 구축 챔버로 지향시키도록 배열된 다수의 광학-기계 조립체와 함께 사용될 수 있다. 다수의 챔버를 사용하면 하나 또는 그 초과의 구축 챔버 내에서 하나 또는 그 초과의 인쇄 작업을 동시에 인쇄할 수 있다. 다른 실시예에서, 제거 가능한 챔버 측벽은 구축 챔버에서 인쇄된 물체의 제거를 단순화하여 분말 재료의 신속한 교환을 허용할 수 있다. 챔버에는 조정 가능한 공정 온도 제어 장치가 장착될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 구축 챔버는 레이저 광학 장치 근처에 위치할 수 있는 제거 가능한 프린터 카트리지로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 제거 가능한 프린터 카트리지는 분말을 포함하거나 분말 공급원에 대한 분리 가능한 연결을 지지할 수 있다. 항목 제조 후 제거식 프린터 카트리지를 제거하고 새 프린터 카트리지로 교체할 수 있다.
다른 실시예에서, 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버는 고정된 높이로 유지되는 구축 챔버를 가질 수 있는 반면, 광학 장치는 수직으로 이동 가능하다. 구축 플랫폼을 고정된 높이로 유지하면서 렌즈 조립체의 최종 광학 장치와 분말 베드의 상단 표면 사이의 거리는 분말 레이어의 두께와 동일한 거리만큼 최종 광학 장치를 위로 인덱싱하여 기본적으로 일정하게 관리할 수 있다. 유리하게는, 구축 플랫폼을 수직으로 이동하는 것에 비해, 크고 무거운 물체를 더 쉽게 제조할 수 있는데, 그 이유는 끊임없이 변화하는 구축 플랫폼 질량의 정밀한 미크론 스케일 이동이 필요하지 않기 때문이다. 일반적으로 부피가 ~ 0.1 - 0.2 입방미터(즉, 100 - 200 리터 초과 또는 500 - 1,000 kg 초과)인 금속 분말을 위한 구축 챔버는 구축 플랫폼을 고정 높이로 유지하는 것이 가장 좋다.
일 실시예에서, 분말 베드 층의 일부는 선택적으로 용융되거나 융합되어 분말 베드 층의 융합된 부분 외부에 하나 또는 그 초과의 임시 벽을 형성하여 구축 플랫폼의 파우더 베드의 층의 다른 부분을 함유할 수 있다. 선택된 실시예에서, 개선된 열 관리를 가능하게 하기 위해 하나 또는 그 초과의 제 1 벽에 유체 통로가 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 호퍼의 구축 플랫폼으로부터 실질적으로 분말 베드를 분리하기 위해 기울이고, 뒤집고, 흔들 수 있는 분말 베드를 지지하는 구축 플랫폼을 갖는 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버를 포함할 수 있다. 분말 베드를 형성하는 분말 재료는 이후 인쇄 작업에서 재사용하기 위해 호퍼에 수집할 수 있다. 분말 수집 공정은 자동화되고 진공 청소기로 청소하거나 가스 분사 시스템을 사용하여 분말 제거 및 제거를 도울 수 있다.
일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 사용 가능한 구축 챔버보다 긴 부품을 쉽게 처리하도록 구성될 수 있다. 연속적인 (긴) 부분은 제 1 구역에서 제 2 구역으로 종방향으로 순차적으로 전진할 수 있다. 제 1 구역에서, 과립 재료의 선택된 과립이 혼합될 수 있다. 제 2 구역에서, 과립 재료의 비융합 과립을 제거할 수 있다. 연속 부분의 제 1 부분은 제 2 구역에서 제3 구역으로 전진될 수 있는 반면, 연속 부분의 마지막 부분은 제 1 구역 내에 형성되고 제 1 부분은 측면 방향 및 횡방향으로 동일한 위치에 유지되어, 제 1 부분이 제 1 구역 및 제 2 구역 내에 차지된다. 실제로, 적층 제조 및 청소(예: 사용하지 않거나 혼합되지 않은 입상 재료의 분리 및/또는 회수)는 필요 없이 부품 컨베이어의 다른 위치 또는 구역에서 병렬적으로(즉, 동시에) 수행할 수 있으며, 세분화된 재료 및/또는 부품 제거를 위해 중지할 필요가 있다.
다른 실시예에서, 적층 제조 능력은 인클로저의 내부와 인클로저의 외부 사이의 기체 물질의 교환을 제한하는 인클로저의 사용에 의해 개선될 수 있다. 에어록은 내부와 외부 사이에 인터페이스를 제공하고, 내부에는 파워 베드 퓨전을 지지하는 챔버를 포함하여 여러 적층 제조 챔버가 있다. 가스 관리 시스템은 내부의 기체 산소를 제한 산소 농도 이하로 유지하여, 시스템에서 사용할 수 있는 분말 및 처리 유형의 유연성을 높이다.
또 다른 제조 실시예에서, 인클로저 내에 포함된 물품 처리 유닛 또는 구축 챔버를 가짐으로써 능력이 개선될 수 있으며, 구축 챔버는 2,000kg 이상의 중량을 갖는 부품을 생성할 수 있다. 가스 관리 시스템은 분위기 수준 아래의 농도로 인클로저 내 가스 산소를 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 바퀴 달린 차량은 에어록이 인클로저 내부의 가스 환경과 인클로저 외부의 가스 환경 사이에서 완충되도록 작동하기 때문에 에어록을 통해 인클로저 내부로부터 인클로저 및 에어록 둘다에 대해 외부 위치에 부품을 운반할 수 있다.
다른 제조 실시예는 분말 베드로부터 실시간으로 분말 샘플을 수집하는 것을 포함한다. 분말 샘플의 공정 중 수집 및 특성화를 위해 인제스터 시스템(ingester system)이 사용된다. 수집은 주기적으로 수행될 수 있으며 특성화 결과에 따라 분말 베드 융합 공정이 조정된다. 인제스터 시스템은 하나 또는 그 초과의 검사(audit), 공정 조정 또는 프린터 매개변수 수정 또는 허가된 분말 재료의 적절한 사용 확인과 같은 작업에 선택적으로 사용할 수 있다.
크레인, 리프팅 갠트리, 로봇 팔과 같은 조작기 장치 또는 인간이 하기 어렵거나 불가능한 부품의 조작을 위해 이동을 가능하게 하는 유사한 조작기 장치를 사용하여 추가 제조 공정에 대한 또 다른 개선이 제공될 수 있는 것이 설명되어 있다. 조작기 장치는 부품의 재배치 또는 조작을 가능하게 하기 위해 부품에 다양한 영구적 또는 일시적으로 부가적으로 제조된 조작 지점을 파악할 수 있다.
제어 프로세서(350)는 레이저, 레이저 증폭기, 광학 장치, 열 제어, 구축 챔버, 및 조작기 장치를 포함하여 여기에 설명된 적층 제조 시스템(300)의 임의의 구성요소를 제어하도록 연결될 수 있다. 제어 프로세서(350)는 작동을 조정하기 위해 다양한 센서, 액추에이터, 가열 또는 냉각 시스템, 모니터 및 제어기에 연결될 수 있다. 영상 장치, 광도 모니터, 열, 압력 또는 가스 센서를 포함한 광범위한 센서를 사용하여 제어 또는 모니터링에 사용되는 정보를 제공할 수 있다. 제어 프로세서는 단일 중앙 제어기이거나 대안적으로 하나 또는 그 초과의 독립적인 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어기 프로세서(350)에는 제조 명령의 입력을 허용하는 인터페이스가 제공된다. 다양한 센서를 사용하면 품질, 제조 처리량, 및 에너지 효율성을 향상시키는 다양한 피드백 제어 기구가 가능하다.
적층 또는 감축 제조에 적합한 위상 변화 광 밸브의 사용을 지원하는 제조 시스템의 작동의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 흐름도(400)는 설명된 광학 및 기계적 구성요소에 의해 지지되는 제조 공정의 일 실시예를 도시한다. 단계 402에서, 재료는 베드, 챔버, 또는 다른 적합한 지지대에 위치된다. 재료는 감산 제조 기술을 사용하는 레이저 절단용 금속판 또는 용융, 융합, 소결, 결정 구조 변경하고 스트레스 패턴의 영향을 받거나 적층 제조 기술에 의해 화학적 또는 물리적으로 수정되어 원하는 속성을 가진 구조를 성형할 수 있는 분말일 수 있다.
단계(404)에서, 패터닝되지 않은 레이저 에너지는 고체 또는 반도체 레이저를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 또는 그 초과의 에너지 이미터에 의해 방출된 다음 하나 또는 그 초과의 레이저 증폭기에 의해 증폭된다. 단계 406에서, 패터닝되지 않은 레이저 에너지가 형성되고 수정된다(예를 들어, 강도 변조 또는 포커싱). 단계(408)에서, 이 패터닝되지 않은 레이저 에너지는 위상 변화 광 밸브에 의해 패터닝되며, 패턴의 일부를 형성하지 않는 에너지는 단계(410)에서 취급된다(이는 폐열로의 변환, 패턴화 또는 비패턴화 에너지로의 재활용, 또는 단계 404에서 레이저 증폭기를 냉각함으로써 생성된 폐열을 제공하는 도 2 및 도 3에 대해 개시된 바와 같이 빔 덤프의 사용을 포함할 수 있다). 단계 412에서, 이제 1차원 또는 2차원 이미지를 형성하는 패터닝된 에너지가 재료를 향해 릴레이된다. 단계 414에서, 3D 구조의 일부를 차감 처리하거나 부가적으로 구축하여 이미지가 재료에 적용된다. 적층 가공의 경우, 이미지(또는 다른 후속 이미지)가 재료의 최상층의 모든 필요한 영역에 적용될 때까지 이러한 단계를 반복할 수 있다(루프(416)). 재료의 최상층에 대한 에너지 인가가 완료되면, 3D 구조 구축을 계속하기 위해 새로운 층이 적용될 수 있다(루프(418)). 이러한 공정 루프는 3D 구조가 완성될 때까지 계속되며, 이때 남은 잉여 재료를 제거하거나 재활용할 수 있다.
도 5는 패터닝된 2차원 에너지의 재사용을 가능하게 하는 위상 변화 광 밸브 및 스위치야드 시스템을 포함하는 적층 제조 시스템의 일 실시예이다. 적층 제조 시스템(520)은 하나 또는 그 초과의 연속적 또는 간헐적 레이저 빔(들)을 빔 성형 광학 장치(514)로 향하게 하는 레이저 및 증폭기 소스(512)를 갖는 에너지 패터닝 시스템을 갖는다. 과잉 열이 도 1a 내지 도 1d, 도 2, 도 3, 및 도 4에 대해 개시된 능동 광 밸브 냉각 시스템을 포함할 수 있는 거부 에너지 취급 유닛(522)으로 전달될 수 있다. 형상화 후, 빔은 위상 변화 재료를 기반으로 하는 에너지 패터닝 유닛(530)에 의해 2차원적으로 패터닝되며, 일반적으로 일부 에너지는 거부 에너지 취급 유닛(522)으로 향한다. 패터닝된 에너지는 다수의 이미지 릴레이(532) 중 하나에 의해 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛(534A, 534B, 534C 또는 534D)을 향하여 또는 전형적으로 이동 가능하거나 고정된 높이 베드 근처에 포커싱된 2차원 이미지로서 릴레이된다. 베드는 분말 호퍼 또는 유사한 재료 디스펜서를 포함하는 카트리지 내부에 있을 수 있다. 이미지 릴레이(532)에 의해 지향되는 패턴화된 레이저 빔은 용융, 융합, 소결, 병합, 결정 구조 변경, 응력 패턴에 영향을 미치거나 원하는 특성을 갖는 구조를 형성하기 위해 분배된 재료를 화학적 또는 물리적으로 수정할 수 있다.
이 실시예에서, 거부 에너지 취급 유닛은 거부된 패터닝된 에너지의 재사용을 허용하기 위해 다수의 구성요소를 갖는다. 레이저 증폭기 및 소스(512)로부터의 냉각제 유체는 발전기(524), 가열/냉각 열 관리 시스템(525) 또는 에너지 덤프(526) 중 하나 또는 그 초과로 향할 수 있다. 추가적으로, 릴레이(528A, 528B, 528C)는 각각 에너지를 발전기(524), 가열/냉각 열 관리 시스템(525) 또는 에너지 덤프(526)에 전달할 수 있다. 선택적으로, 릴레이(528C)는 추가 처리를 위해 패턴 에너지를 이미지 릴레이(532)로 보낼 수 있다. 다른 실시예에서, 패턴화된 에너지는 레이저 및 증폭기 소스(512)에 의해 제공된 레이저 빔(들)에 삽입하기 위해 릴레이(528C)에 의해 릴레이(528B 및 528A)로 지향할 수 있다. 이미지 릴레이(532)를 사용하여 패턴화된 이미지의 재사용이 또한 가능하다. 재지향, 반전, 미러링, 하위 패턴화, 또는 하나 또는 그 초과의 물품 처리 유닛(534A 내지 534D)으로의 배포를 위해 변환된다. 유리하게는 패턴광의 재사용은 적층 제조 공정의 에너지 효율을 개선할 수 있고, 경우에 따라 베드에 향하는 에너지 강도를 개선하거나 제조 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 많은 수정 및 다른 실시예는 전술한 설명 및 관련 도면에 제시된 교시의 이점을 갖는 당업자의 마음에 떠오를 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 수정 및 실시예는 첨부된 청구 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것이 이해된다. 또한 본 발명의 다른 실시예가 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소/단계 없이 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 적층 제조 시스템으로서,
    제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하는 고 출력 레이저; 및
    제 2 파장에서 기록 빔에 반응하고 제 1 파장에서 반응하지 않는 위상 변화 재료를 갖는 2D 패턴화 가능 광 밸브를 포함하는, 적층 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 볼륨 위상 변화를 지원하는, 적층 제조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 양자점 위상 변화 재료인, 적층 제조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 메타재료 위상 변화 재료인, 적층 제조 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 픽셀 변형 위상 변화 재료인, 적층 제조 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 구조화된 재료인, 적층 제조 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 비선형 재료 위상 변화 재료인, 적층 제조 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 패턴화 가능 광 밸브는 소거 빔에 반응하는 위상 변화 재료를 갖는, 적층 제조 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 패턴화 가능 광 밸브는 적응형 광학 구조에 통합되는, 적층 제조 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    패턴화된 2차원 에너지의 재사용을 가능하게 하는 스위치야드 시스템에 상기 2D 패턴화 가능 광 밸브를 통합하는 것을 더 포함하는, 적층 제조 시스템.
  11. 적층 제조 방법으로서,
    고 출력 레이저를 제공하여 제 1 파장에서 고 플루언스 레이저 빔을 형성하는 단계; 및
    고 플루언스 레이저 빔을 수신하도록 2D 패턴화 가능 광 밸브를 배치하는 단계로서, 상기 2D 패턴화 가능 광 밸브는 제 2 파장에서 기록 빔에 반응하고 제 1 파장에서 반응하지 않는 위상 변화 재료를 갖는, 단계를 포함하는, 적층 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 볼륨 위상 변화를 지원하는, 적층 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 양자점 위상 변화 재료인, 적층 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 메타재료 위상 변화 재료인, 적층 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 픽셀 변형 위상 변화 재료인, 적층 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 구조화된 재료인, 적층 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 변화 재료는 비선형 재료 위상 변화 재료인, 적층 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 2D 패턴화 가능 광 밸브는 소거 빔에 반응하는 위상 변화 재료를 갖는, 적층 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 2D 패턴화 가능 광 밸브는 적응형 광학 구조에 통합되는, 적층 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    패턴화된 2차원 에너지의 재사용을 가능하게 하는 스위치야드 시스템에 상기 2D 패턴화 가능 광 밸브를 통합하는 단계를 더 포함하는, 적층 제조 방법.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11848400B2 (en) * 2021-06-21 2023-12-19 International Business Machines Corporation Tuning emission wavelengths of quantum emitters via a phase change material

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5090795A (en) * 1987-10-22 1992-02-25 Hughes Aircraft Company Integrated adaptive optics apparatus
JPH05241103A (ja) * 1992-02-21 1993-09-21 Nec Corp 投射型液晶表示装置
TWI248859B (en) * 2004-11-24 2006-02-11 Ind Tech Res Inst Manufacture of mold core used in nanoimprint
US7382512B2 (en) * 2005-10-26 2008-06-03 Zhizhang Chen Resistivity phase change material
US9923124B2 (en) * 2011-01-31 2018-03-20 Mohammad A Mazed Display device
US8208759B2 (en) * 2007-08-29 2012-06-26 Texas Instruments Incorporated Light valve projection of visible image correlated with non-visible image
US10124410B2 (en) * 2010-09-25 2018-11-13 Ipg Photonics Corporation Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
GB201205293D0 (en) * 2012-03-26 2012-05-09 Univ Southampton Optical devices, systems and methods
CN106536093A (zh) * 2014-07-18 2017-03-22 应用材料公司 使用激光与气体流的增材制造
US20180143147A1 (en) * 2015-05-11 2018-05-24 Board Of Regents, The University Of Texas System Optical-coherence-tomography guided additive manufacturing and laser ablation of 3d-printed parts
US20170232515A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-17 Seurat Technologies, Inc. Additive Manufacturing Simulation System And Method
US10434573B2 (en) * 2016-02-18 2019-10-08 Velo3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
WO2018209226A1 (en) * 2017-05-11 2018-11-15 Seurat Technologies, Inc. Solid state routing of patterned light for additive manufacturing optimization
CN113226622B (zh) * 2018-12-19 2023-02-28 速尔特技术有限公司 使用脉冲调制的激光进行二维打印的增材制造系统

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