KR20230130046A - 리슬리 프리즘 빔 조정을 이용한 적층 제조 시스템및 관련 방법 - Google Patents

리슬리 프리즘 빔 조정을 이용한 적층 제조 시스템및 관련 방법 Download PDF

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KR20230130046A
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마틴 씨. 펠드만
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벌컨폼즈 아이엔씨.
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Abstract

적층 제조 시스템 및 관련 방법이 개시된다. 일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 구축 표면, 레이저 에너지를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지 소스, 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합된 광학 위상 어레이, 및 복수의 웨지 프리즘을 포함하는 리슬리 프리즘 조립체를 포함한다. 광학 위상 어레이는 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합되고 레이저 에너지의 위상을 제어하도록 구성된 하나 이상의 위상 시프터를 포함한다. 광학 위상 어레이는 레이저 에너지를 리슬리 프리즘 조립체를 향해 지향시키도록 구성되며, 리슬리 프리즘 조립체는 레이저 에너지를 구축 표면을 향해 지향시키도록 구성된다.

Description

리슬리 프리즘 빔 조정을 이용한 적층 제조 시스템 및 관련 방법
[관련 출원]
본 출원은 2021년 1월 8일자로 출원된 미국 가출원 제63/135,272호의 35 U.S.C. § 119(e)에 따른 우선권의 이익을 주장하며, 그 개시내용은 전부 참조로 본 출원에 포함된다.
[분야]
개시된 실시예는 리슬리(Risley) 프리즘 빔 조정을 이용한 적층 제조 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.
분말 베드 융합 프로세스는 층별 프로세스에서 재료를 선택적으로 결합하여 3차원 형상을 형성하는 적층 제조 프로세스의 한 예이다. 금속 분말 베드 융합 프로세스에서는, 하나 또는 다수의 레이저 빔이 금속 분말의 얇은 층 위로 스캐닝된다. 레이저 출력, 레이저 스폿 크기, 및/또는 레이저 스캐닝 속도와 같은 다양한 레이저 파라미터가 금속 분말 입자를 용융시키기에 충분한 에너지가 전달된 영역에 있는 경우, 구축 표면에 하나 이상의 용융 풀이 설정될 수 있다. 레이저 빔은 응고된 용융 풀 트랙이 3차원 인쇄 부품의 2차원 슬라이스에 대응하는 형상을 생성하도록 미리 정의된 궤적을 따라 스캐닝된다. 층이 완성된 후에, 분말 표면은 정의된 거리에 의해 인덱싱되고, 분말의 다음 층이 구축 표면 상에 펼쳐지고, 레이저 스캐닝 프로세스가 반복된다. 많은 응용에서, 층 두께와 레이저 출력 밀도는 기본 층의 부분적 재용융 및 연속 층의 융합을 제공하도록 설정될 수 있다. 층 인덱싱 및 스캐닝은 원하는 3차원 형상이 제작될 때까지 여러 차례 반복된다.
일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 구축 표면, 레이저 에너지를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지 소스, 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합된 광학 위상 어레이, 및 복수의 웨지 프리즘을 포함하는 리슬리 프리즘 조립체를 포함한다. 광학 위상 어레이는 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합되고 레이저 에너지의 위상을 제어하도록 구성된 하나 이상의 위상 시프터를 포함한다. 광학 위상 어레이는 레이저 에너지를 리슬리 프리즘 조립체를 향해 지향시키도록 구성되며, 리슬리 프리즘 조립체는 레이저 에너지를 구축 표면을 향해 지향시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 적층 제조 방법은 복수의 레이저 에너지 소스로부터 레이저 에너지를 방출하는 단계, 구축 표면 상으로 지향된 적어도 하나의 레이저 빔의 형상을 제어하기 위해 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계, 및 하나 이상의 웨지 프리즘으로 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 조절하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 구축 표면, 레이저 에너지를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지 소스, 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합된 광학 위상 어레이, 및 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 제어하도록 구성된 리슬리 프리즘 조립체를 포함한다. 광학 위상 어레이는 구축 표면 상으로 지향된 적어도 하나의 레이저 빔의 형상을 제어하도록 구성된다.
전술한 개념 및 아래에서 설명되는 추가적인 개념은 임의의 적절한 조합으로 배열될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 이 점에 제한되지 않기 때문이라는 점을 인식해야 한다. 또한, 본 개시내용의 다른 이점 및 신규 특징은 첨부 도면과 함께 고려될 때 다양한 비제한적 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부 도면은 축척에 맞게 그려지는 것을 의도하지 않는다. 도면에서, 다양한 도면에 예시되는 각각의 동일한 또는 거의 동일한 컴포넌트는 유사한 번호로 표현될 수 있다. 명확성을 위해, 모든 도면에서 모든 컴포넌트에 라벨링되지 않을 수 있다. 도면에서:
도 1은 광학 위상 어레이 조립체를 포함하는 적층 제조 시스템의 일 실시예의 개략도이고;
도 2는 적층 제조 시스템에서 사용하기 위한 광학 위상 어레이 조립체의 일 실시예를 도시하고;
도 3은 적층 제조 시스템에서 사용하기 위한 광학 위상 어레이 조립체의 다른 실시예를 도시하고;
도 4는 적층 제조 시스템에서 사용하기 위한 광학 위상 어레이 조립체의 또 다른 실시예를 도시하고;
도 5는 적층 제조 시스템에서 사용하기 위한 광학 위상 어레이 조립체의 추가의 실시예를 도시하고;
도 6a는 광학 위상 어레이를 가진 적층 제조 시스템에서 사용하기 위한 리슬리 프리즘 조립체의 일 실시예를 도시하고;
도 6b는 도 6a의 광학 위상 어레이의 저면도를 도시하고;
도 7은 구축 표면을 가로지르는 픽셀 경로의 일 실시예를 도시한다.
본 발명자는 적층 제조 프로세스 동안 빔 조정의 하나 이상의 양태를 수행하도록 구성된 하나 이상의 광학 위상 어레이를 이용하는 적층 제조 시스템과 연관된 많은 이점을 인지하고 인식하였다. 본 출원에 사용될 때, 광학 위상 어레이(OPA)는 각각 동일한 주파수를 갖는 광을 방출하는 1차원 또는 2차원 어레이로 배열된 발광기(예를 들어, 레이저 이미터)의 어레이를 의미한다. 위상 시프터는 각각의 이미터와 연관되며, 각각의 위상 시프터는 그 연관 이미터에 의해 방출된 광의 위상을 제어하도록 구성된다. 각각의 이미터로부터 방출된 광의 위상을 제어함으로써, 이미터 어레이로부터의 광의 중첩으로 형성된 빔을 원하는 대로 구축 표면(예를 들어, 분말 베드)에서 조정 및/또는 성형할 수 있다. 아래에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 위상 시프터의 이러한 제어는 높은 주파수에서 수행될 수 있으며, 따라서 OPA는 이미터의 어떠한 물리적 이동도 필요로 하지 않고 하나 이상의 레이저 빔의 고정밀 및 고속 스캐닝을 허용할 수 있다.
일부 양태에 따르면, OPA로 달성할 수 있는 빔 조정 속도는 일반적으로 더 높은 처리량의 적층 제조 프로세스를 가능하게 할 수 있는 종래의 접근법을 사용하여 성취할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠를 수 있으며, 갈보- 또는 갠트리-기반 접근법과 같은 기존의 접근법을 사용해서는 성취할 수 없는 스캐닝 전략을 또한 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 레이저 빔은 분말 베드에서 열 수송 및 용융의 동역학에 관련된 것보다 훨씬 더 빠른 시간 척도에서 OPA에 의해 조정될 수 있고, 이러한 방식으로 레이저 빔은 레이저 에너지의 이미지를 구축 표면 상으로 효과적으로 투사하기에 충분히 빠르게 조정될 수 있다. 추가적으로, 레이저 빔은 스캐닝하면서 빔 형상을 지속적으로 수정할 수 있도록 적층 제조 프로세스 동안 동적으로 성형될 수 있거나 또는 달리 제어될 수 있다. 가우시안(Gaussian) 이외의 형상이 되도록 스캐닝 동작 동안 빔의 형상을 제어하는 이 능력은 다양한 용접 형성 모드에 유익할 수 있다. 추가적으로, OPA 기반 빔 조정 시스템은 피처 해상도를 희생하지 않고 구축 표면에 다수의 개별 용융 풀을 동시에 형성할 수 있는 적층 제조 프로세스를 가능하게 할 수 있다. 또한, OPA 기반 빔 조정 시스템을 사용하여 달성할 수 있는 높은 스캐닝 속도는 레이저 출력이 구축 표면을 가로질러 원하는 대로 분산되게 할 수 있고, 이는 형성되는 부품을 더 균일하게 가열할 수 있게 한다. 예를 들어, 단일 스폿이 너무 큰 레이저 출력에 노출(키홀 공극률 또는 다른 영향과 같은 바람직하지 않은 결함을 유발할 수 있음)되지 않도록 빔이 스캐닝될 수 있다.
OPA 기반 빔 조정 시스템은 빠르고 정확한 스캐닝뿐만 아니라 빔 성형을 가능하게 할 수 있지만, OPA 기반 시스템이 스캐닝하는 영역은 OPA의 상대적으로 적당한 조정 각도에 의해 제한될 수 있다. OPA 기반 시스템의 상대적으로 작은 스캔 영역은 특정 응용에 대해 제한적일 수 있다. 그러나, 본 발명자는 다른 유형의 스캐닝 배열과 함께 OPA를 사용하는 것과 연관된 이점을 인지하고 인식하였다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 리슬리 프리즘 기반 시스템이 큰 영역에 걸쳐 전체 스캐닝을 수행하는 데 이용될 수 있으며, 한편 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, OPA는 빔의 더 미세한 규모의 스캐닝에 이용될 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 복수의 레이저 소스는 하나 이상의 광학 위상 어레이와 결합될 수 있고 하나 이상의 리슬리 프리즘 조립체는 연관된 OPA의 스캐닝 범위의 크기 규모보다 더 큰 크기 규모로 구축 표면 상의 결과적인 패턴의 대규모 스캐닝을 수행하는 데 사용될 수 있다.
본 발명자는 전체 스캐닝을 수행하기 위해 리슬리 프리즘 기반 시스템을 사용하는 특정한 추가적인 이점을 인지하고 인식하였다. 리슬리 프리즘 기반 시스템을 사용하면 고출력 레이저 에너지를 투과하는 그 능력에 있어서 유리할 수 있다. 리슬리 프리즘의 웨지는 하나 이상의 고출력 코팅과 선택적으로 조합될 수 있는 유리, 사파이어 및/또는 임의의 다른 적절한 투명 기본 재료와 같은 투과 요소를 포함한다. 반사 광학 요소(예를 들어, 검류계 조립체의 거울)와 비교하여, 투과 요소는 훨씬 더 높은 레이저 출력을 허용하도록 구성될 수 있다. 즉, 거울 기반 시스템은 달성 가능한 그 최대 레이저 출력과 관련하여 더욱 제한적일 수 있지만, 리슬리 프리즘 기반 시스템은 그렇게 제한적이지 않을 수 있다. 그러나, 검류계 조립체, 갠트리 조립체, 및 기타 빔 조정 시스템과 함께 본 출원에 설명된 시스템을 사용하는 것이 또한 고려되고, 본 개시내용은 이와 관련하여 제한되지 않는다는 점을 인식해야 한다. 추가적으로, 리슬리 프리즘 기반 시스템을 사용하면 더 높은 정밀도와 충실도로 레이저 에너지를 투과하는 그 능력에 있어서 유리할 수 있다. 예를 들어, 리슬리 프리즘의 웨지는 평면 요소일 수 있다. 이와 같이, 웨지는 광학 위상 어레이에 의해 방출된 개별 웨이브프론트를 동일한 방향으로 지향시킬 수 있다. 대조적으로, 종래의 빔 형성 광학기기(예를 들어, 망원경 조립체)는 개별 웨이브프론트를 각각의 웨이브프론트가 렌즈와 접촉하는 위치에 기초하여 상이한 방향으로 지향시킬 수 있다.
일부 실시예에서, OPA는 리슬리 프리즘 조립체와 직렬로 배열되어, OPA로부터 출력된 레이저 빔이 리슬리 프리즘 조립체를 향해 지향되게 할 수 있다. OPA에 의해 이루어진 소규모 조절은 리슬리 프리즘 조립체에 의해 이루어진 대규모 조절로 조정되어, 적층 제조 시스템의 구축 표면의 넓은 영역에 걸쳐 하나 이상의 레이저 빔의 매우 정확한 고속 스캐닝 및/또는 빔 성형을 가능하게 할 수 있다.
리슬리 프리즘 조립체는 구축 표면에 대해 빔의 각도를 조절하도록 구성된 하나 이상의 웨지 프리즘을 포함할 수 있다. 웨지 프리즘은 입력 표면 및 입력 표면에 대향하고 입력 표면에 대해 비스듬히 배향된 출력 표면을 포함할 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지는 않지만, 웨지 프리즘을 통과하는 광은 입력 표면과 출력 표면 사이의 각도 차이로 인해 굴절될 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예에서, 웨지 프리즘의 입력 표면과 출력 표면은 평면일 수 있다.
리슬리 프리즘 조립체의 각각의 웨지 프리즘은 작동기에 결합되어, 작동기의 작동이 웨지 프리즘을 회전시킬 수 있게 할 수 있다. 적절한 작동기에는 브러시리스 DC 모터, 브러시 DC 모터, 스테퍼 모터, 및 서보모터가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. 본 출원에 개시된 다양한 실시예에서, 웨지 프리즘은 그 입력 표면에 수직인 축, 그 출력 표면에 수직인 축, 구축 표면에 수직인 축, OPA 조립체의 출력 표면에 수직인 축, 전술한 및/또는 임의의 다른 적절한 회전축의 조합을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
웨지 프리즘이 회전하면, 웨지 프리즘을 나가는 광의 방향도 회전할 수 있다. 광이 웨지 프리즘을 나가는 각도를 조절함으로써, 광이 웨지 프리즘 하류의 표면에 충돌하는 위치를 제어할 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지는 않지만, 광이 웨지 프리즘의 입력 표면에 충돌하는 위치가 일정하게 유지되는 경우, 웨지 프리즘을 회전시키면 웨지 프리즘을 통해 웨지 프리즘의 출력 표면 밖으로 통과한 광이 웨지 프리즘 하류의 표면에서 원을 그릴 수 있다.
2개 이상의 웨지 프리즘을 직렬로 조합함으로써, 리슬리 프리즘 조립체는 복잡한 광의 경로를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, OPA로부터 출력된 레이저 에너지는 리슬리 프리즘 조립체의 제1 웨지 프리즘을 통과할 수 있고, 그에 따라 레이저 에너지가 굴절된다. 제1 웨지 프리즘을 통과한 후에, 레이저 에너지는 제2 웨지 프리즘의 입력 표면에 접촉할 수 있다. 레이저 에너지가 제2 웨지 프리즘의 입력 표면과 접촉하는 위치는 적어도 부분적으로 제1 웨지 프리즘의 각도 위치(작동기가 제1 웨지 프리즘을 얼마나 많이 회전시키는지에 의해 결정됨), 레이저 에너지가 제1 웨지 프리즘을 통과할 때의 굴절 각도(제1 웨지 프리즘의 입력 표면과 출력 표면의 상대 각도에 의해 결정됨), 및 제1 웨지 프리즘과 제2 웨지 프리즘 사이의 거리에 기초할 수 있다. 그 후, 레이저 에너지는 제2 웨지 프리즘을 통과할 수 있고, 다시 레이저 에너지가 굴절된다. 이러한 방식으로, 레이저 에너지는 레이저 에너지가 구축 표면에 도달할 때까지 리슬리 프리즘 조립체의 각각의 웨지 프리즘에 의해 지속적으로 굴절될 수 있다. 리슬리 프리즘 조립체의 하나 이상의 웨지 프리즘과 연관된 작동기를 작동시킴으로써, 웨지 프리즘이 회전될 수 있고 레이저 에너지가 구축 표면에서 조정될 수 있다.
일반적으로, "리슬리 프리즘 조립체(Risley prism assembly)"라는 용어는 웨지 프리즘의 임의의 특정 개수 또는 배열에 제한되지 않으며, 리슬리 프리즘 조립체는 임의의 적절한 수의 웨지 프리즘 또는 다른 광학 요소를 포함할 수 있음을 인식해야 한다. 본 출원에 사용될 때, "리슬리 프리즘 쌍(Risley prism pair)"이라는 용어는 한 쌍의 웨지 프리즘을 의미한다. 즉, "리슬리 프리즘 쌍"은 2개의 웨지 프리즘이 있는 리슬리 프리즘 조립체를 의미한다. 본 출원에 사용될 때, "이중 리슬리 프리즘 쌍(dual Risley prism pair)"이라는 용어는 2개의 리슬리 프리즘 쌍을 의미하며, 그에 따라 4개의 웨지 프리즘을 포함한다는 것을 의미한다.
리슬리 프리즘 조립체의 웨지 프리즘은 임의의 적절한 속도로 임의의 적절한 방향으로 회전할 수 있으며, 이는 본 개시내용이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이라는 점을 인식해야 한다. 예를 들어, 리슬리 프리즘 조립체가 2개의 웨지 프리즘을 포함하는 경우, 2개의 웨지 프리즘은 공통 회전축을 중심으로 동일한 방향으로 및/또는 반대 방향으로 회전될 수 있다. 추가적으로, 2개의 웨지 프리즘 중 다른 하나가 회전하는 속도와는 무관하게, 2개의 웨지 프리즘 각각은 임의의 적절한 속도로 회전될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 리슬리 프리즘 조립체의 웨지 프리즘은 유리 및/또는 고출력 코팅을 포함하는 투과 요소일 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지는 않지만, 웨지 프리즘의 재료는 적어도 부분적으로 재료의 투과 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 웨지 프리즘을 가열하게 되는 바람직하지 않은 수준의 에너지를 흡수하지 않고, 웨지 프리즘이 레이저 에너지를 투과 및/또는 굴절시키는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 웨지 프리즘은 유리로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨지 프리즘은 용융 석영 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료의 비제한적인 예에는 Corning 7980, Corning 7979, Heraeus Infrasil로부터의 재료, 및/또는 Suprasil로부터의 재료가 포함된다. 일부 실시예에서, 웨지 프리즘은 사파이어로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨지 프리즘의 기본 재료가 코팅될 수 있다. 코팅은 스퍼터링, 이온 빔 스퍼터링, 이온 빔 마그네트론 스퍼터링, 증발 방법, 및/또는 코팅을 투명 기본 재료에 적용하기 위한 임의의 다른 적절한 방법을 사용하여 적용될 수 있다. 물론, 리슬리 프리즘 조립체의 웨지 프리즘이 다른 적절한 재료로 제조될 수 있으며, 본 개시내용은 이와 관련하여 제한되지 않는다는 점을 인식해야 한다.
일부 실시예에서, 적층 제조 시스템은 OPA에 결합된 하나 이상의 레이저 에너지 소스를 포함할 수 있다. OPA는 적층 제조 시스템의 구축 표면(예를 들어, 금속 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 분말 베드) 위에 위치될 수 있고, OPA는 하나 이상의 레이저 에너지 소스로부터의 레이저 에너지를 구축 표면을 향해 지향시키고 구축 표면을 따라 원하는 형상 및/또는 패턴으로 레이저 에너지를 스캐닝하여 구축 표면 상의 재료를 선택적으로 용융 및 융합하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 리슬리 프리즘 조립체는 OPA의 후방에 또는 하류에 위치될 수 있고 구축 표면에서 OPA로부터 출력된 레이저 에너지의 위치를 더 조절하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, OPA는 분말 베드를 향해 지향된 방출 표면을 갖는 광섬유 어레이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광섬유 어레이는 섬유를 원하는 1차원 또는 2차원 패턴으로 유지하도록 구성 및 배열된 섬유 홀더에 고정된 단부를 가질 수 있다. 그러나, 광섬유 어레이는 분말 베드를 향하지 않는 다른 방향으로 지향된 방출 표면을 가질 수 있으며, 섬유에 의해 방출된 광의 방향이 하나 이상의 거울, 프리즘, 렌즈, 또는 다른 적절한 광 지향 컴포넌트를 사용하여 재배향될 수 있기 때문에, 본 개시내용이 이와 관련하여 제한되지 않는다는 점을 인식해야 한다. 일부 경우에, 각각의 광섬유는 연관 레이저 에너지 소스에 결합될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 레이저 에너지 소스는 레이저 에너지 소스로부터의 레이저 에너지를 광섬유 어레이에 결합하기 위해 분할 구조에 결합될 수 있다. 광섬유 어레이의 각각의 광섬유는 연관된 위상 시프터에 결합될 수 있지만, 광섬유 어레이에 의해 방출된 레이저 에너지가 연관된 위상 시프터에 광학적으로 결합되는 실시예는 자유 공간 광학 연결을 포함할 수도 있는 데, 이는 본 개시내용이 레이저 에너지 소스가 위상 시프터에 결합되는 방식에 제한되지 않기 때문이다. 일부 실시예에서, 위상 시프터는 광섬유로부터 방출되는 레이저 에너지의 위상을 변경하기 위해 전기 신호에 응답하여 연관된 광섬유의 부분을 신장시키도록 구성 및 배열된 압전 위상 시프터일 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 일부 실시예에서, 시스템은 어레이의 각각의 섬유로부터 방출된 레이저 에너지의 위상을 검출하도록 구성된 하나 이상의 센서를 더 포함할 수 있으며, 이는 OPA에 의해 형성 및 스캐닝되는 하나 이상의 빔을 제어하는 데 사용되는 피드백 제어 시스템에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, OPA는 자유 공간 위상 시프터를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 에너지 픽셀 어레이는 광섬유 어레이로부터 투사될 수 있다. 레이저 에너지의 어레이는 하나 이상의 거울, 렌즈, 프리즘, 또는 다른 광학 요소를 사용하여 자유 공간 광학 시프터의 어레이를 향하여 지향, 성형, 및/또는 집중될 수 있으며, 각각의 레이저 에너지 픽셀의 위상이 자유 공간 위상 시프터를 통과할 때 제어될 수 있어, 위상 시프터를 나가는 위상 시프트된 레이저 에너지 픽셀의 중첩이 원하는 대로 조정, 성형 및/또는 제어되는 하나 이상의 레이저 에너지 빔을 형성하도록 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 OPA가 반도체 기판 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)은 그 위에 형성된 복수의 도파로를 가질 수 있고, 각각의 도파로는 반도체 기판으로부터 광(예를 들어, 레이저 에너지)을 방출하도록 구성 및 배열된 이미터에서 종결될 수 있다. 특정 실시예에 따라, 이미터는 반도체 기판에 실질적으로 수직으로 광을 방출하는 격자 이미터 또는 반도체 기판의 에지로부터 광을 방출하도록 구성된 에지 이미터와 같은 소위 수직 이미터로 형성될 수 있다. 에지 이미터의 경우, 일부 실시예에서, 다수의 에지 방출 구조가 적층되어 2차원 어레이를 형성할 수 있다. 또한, 각각의 이미터는 반도체 기판 상에 형성된 연관된 위상 변조 구조를 가질 수 있고, 위상 변조 구조는 각각의 이미터에 의해 방출된 광의 위상을 제어하도록 제어될 수 있으며, 그에 따라 OPA에 의해 방출된 결과적인 빔(들)을 제어할 수 있게 된다. 반도체 기판 상에 형성된 도파로는 하나 이상의 고출력 레이저 에너지 소스와 같은 하나 이상의 광원에 광학적으로 결합될 수 있고, 도파로는 반도체 기판을 통해 광을 이미터로 투과할 수 있다. 일부 경우에, 반도체 기판에 결합된 광을 복수의 이미터에 대하여 분할하기 위해 하나 이상의 분할 구조가 반도체 기판 상에 형성될 수 있다. 앞서 설명한 반도체 구조는 임의의 적절한 방식으로 제조 및 배열될 수 있다는 점을 인식해야 한다. 예를 들어, 본 기술 분야에 공지된 바와 같은 리소그래피 프로세스가 사용될 수 있지만, 설명된 구조를 제조하는 임의의 적절한 방법이 사용될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 그렇게 제한되지 않기 때문이다.
일부 경우에, 반도체 기판 상에 형성된 OPA는 레이저 에너지가 도파로를 통해 투과되는 동안 및/또는 레이저 광이 이미터로부터 방출될 때(예를 들어, 투과 손실 및/또는 기판을 향한 광의 방출에 기인함) 바람직하지 않게 열을 흡수할 수 있다. 이러한 열은 특히 적층 제조 프로세스에 적절한 레이저 출력 수준에서 반도체 구조에 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, OPA 구조가 위에 형성되어 있는 반도체 기판은 반도체 기판 및 OPA 구조를 능동적으로 냉각시키도록 구성될 수 있는 히트싱크 또는 냉각 플레이트와 같은 냉각 구조에 결합될 수 있다. 예를 들어, OPA 조립체 또는 OPA 조립체의 일부를 포함하는 기판(예를 들어, 반도체 기판)이 냉각 구조 상에 장착될 수 있다.
일부 양태에 따르면, 본 발명자는 OPA에서 이미터의 간격을 제어하는 것이 바람직할 수 있음을 인식했다. 예를 들어, 그리고 임의의 특정 이론에 얽매이기를 바라지는 않지만, 위상 어레이의 이미터가 더 큰 거리로 분리될 때 형성될 수 있는 바람직하지 않은 사이드 로브 또는 격자 로브를 감소시키기 위해 인접한 이미터 사이의 간격을 OPA로부터 방출되는 광의 파장의 대략 절반으로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 본 개시내용에 따른 OPA는 적층 제조 프로세스에서 사용되는 레이저 에너지의 파장에 기초하여 선택된 이미터 간격을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 레이저 에너지는 대략 1 마이크로미터의 파장을 가질 수 있으며, 따라서 OPA는 이미터가 서로 대략 0.5 미크론 떨어져 있도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에 따라, OPA의 위상 시프터는 OPA의 각각의 이미터에 의해 방출되는 광의 위상을 제어하도록 구성된 제어기에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 위상 시프터는 수백 MHz 내지 수 GHz의 주파수와 같은 매우 높은 주파수에서 동작할 수 있다. 따라서, 제어기는 위상 시프터를 동작시키고 OPA에 의해 방출된 하나 이상의 빔을 조정 및/또는 성형하기 위해 고주파 제어 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어기는 위상 시프터에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 구조를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 반도체 기판 상에 형성된 OPA는 동일한 반도체 기판 상에 형성되고 기판 상에 형성된 인터커넥트를 통해 OPA의 위상 시프터에 결합된 하나 이상의 FPGA 구조를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, OPA 및 제어기는 반도체 기판 상에 단일 집적 디바이스로서 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 리슬리 프리즘 조립체의 하나 이상의 작동기는 제어기에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 제어기는 OPA와 리슬리 프리즘 조립체 모두를 제어하여 OPA와 연관된 빔 조절 및 리슬리 프리즘 조립체와 연관된 빔 조절을 조정하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 출원에 설명된 다양한 컴포넌트에 대해 별개의 제어기를 사용하는 것이 또한 고려된다.
본 출원에 사용되는 바와 같이, 제어기는 실행될 때 다양한 시스템 및 컴포넌트로 하여금 본 출원에 설명된 임의의 방법 및 프로세스를 수행하게 하는 프로세서 실행 가능 명령어를 포함하는 비일시적 프로세서 판독 가능 메모리에 동작 가능하게 결합되는 하나 이상의 프로세서를 의미할 수 있다. 본 개시내용이 이러한 방식으로 제한되지 않기 때문에 적층 제조 시스템 내에 및/또는 원하는 동작을 수행하는 적층 제조 시스템으로부터 멀리 떨어진 위치를 포함하여 임의의 적절한 위치에 위치된 단일 프로세서 또는 다수의 분산 프로세서에서 프로세스가 실행될 수 있도록 임의의 수의 프로세서가 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, OPA 조립체 및 리슬리 프리즘 조립체를 포함하는 적층 제조 시스템의 스캐닝 속도는 적어도 부분적으로 OPA 조립체 및 리슬리 프리즘 조립체의 개별 스캐닝 속도에 의존할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, OPA 조립체의 위상 시프터는 1 MHz 내지 100 GHz의 최대 동작 주파수와 같은 매우 높은 주파수에서 동작할 수 있다. 리슬리 프리즘 조립체는 원하는 응용에 대하여 임의의 적절한 속도로 스캐닝할 수 있고, 여기서, 속도는 적어도 부분적으로 모터 사양, 웨지 중량, 웨지 관성, 및/또는 빔 위치에 의존할 수 있다. 리슬리 프리즘 조립체 자체는 고속으로 스캐닝할 수 있지만, 본 발명자는 OPA 조립체 없이 단독 리슬리 프리즘 조립체는 제한될 수 있음을 인지했다. 단독 리슬리 프리즘 조립체를 사용하여 복잡한 빔 경로를 달성하려면(즉, OPA 조립체와 함께 사용하지 않음), 레이저 에너지를 매우 높은 주파수에서 켜고 끌 필요가 있을 수 있다. 레이저 에너지의 변조와 리슬리 프리즘의 조절 사이의 타이밍을 조정하는 데에는 특정한 어려움이 있을 수 있다. 추가적으로, 높은 주파수에서 레이저 에너지를 켜고 끄는 것은 바람직하지 않을 수 있는 전력 프로파일 및 펄스 에너지와 연관될 수 있다. 그러나, 본 발명자는 리슬리 프리즘 조립체와 함께 OPA 조립체를 사용하면 매우 빠른 속도와 유리한 전력 프로파일로 빔 성형을 가능하게 할 수 있음을 인식했다.
도면을 참조하면, 특정한 비제한적 실시예가 더 구체적으로 설명된다. 이러한 실시예에 대해 설명된 다양한 시스템, 컴포넌트, 특징, 및 방법은 개별적으로 및/또는 임의의 원하는 조합으로 사용될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 본 출원에 설명된 특정 실시예에만 제한되지 않기 때문이라는 점을 이해해야 한다.
도 1은 구축 표면(4)을 따라 레이저 에너지 빔(2)을 조정하도록 구성 및 배열된 OPA 조립체(10)를 포함하는 적층 제조 시스템(1)의 일 실시예의 개략도이다. 예시된 바와 같이, OPA는 최대 40도, 최대 60도, 최대 90도, 최대 120도, 최대 150도 또는 그 이상일 수 있는 각도 스캐닝 범위(6) 내에서 빔을 지향시키도록 배열될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, OPA는 OPA의 고주파 위상 시프터의 제어를 통해 빔을 조정할 수 있고, 따라서 구축 표면(4) 상의 빔의 유효 스캐닝 속도는 10 m/s 초과, 50 m/s 초과, 100 m/s 초과, 1000 m/s 초과 또는 그 이상일 수 있다. 일부 실시예에서, 구축 표면(4) 상의 빔의 유효 스캐닝 속도는 10,000 m/s 미만, 1000 m/s 미만, 100 m/s 미만, 또는 50 m/s 미만일 수 있다. 그 결과, OPA는 빔이 분말 융합 프로세스(예를 들어, 금속 분말의 용융 및 응고)와 관련된 시간 척도에서 효과적으로 정적인 이미지 또는 패턴을 정의하도록 빔이 스캐닝되게 할 수 있다.
레이저 빔이 분말 베드의 표면에 걸쳐 스캐닝될 수 있는 상대적으로 빠른 속도가 주어지면, 형성 프로세스는 전자 빔 기반의 분말 베드 기반 기계와 다소 유사하게 기능할 수 있다. 구체적으로, 하나 이상의 레이저 빔은 하나 이상의 상응하는 용융 선단이 하나 이상의 레이저 빔의 기본적인 이동 방향을 따라 진행하지 않도록 하는 패턴 및 속도로 분말 베드에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 대신, 용융물이 부차적인 이동 방향을 따라, 즉, 분말 베드에 걸쳐 스캐닝되는 하나 이상의 빔에 의해 생성되는 이미지의 이동 방향으로 이동할 수 있다. 이는 상대적으로 넓은 영역을 노출하고, 단일 스폿보다 더 많은 전력을 가져오고, 형성되는 부품의 더욱 균일한 열적 가열을 제공할 수 있다는 점에서 전형적인 레이저 기반 시스템과 비교할 때 유익할 수 있다. 그러나, 분말 베드 표면을 가로지르는 레이저의 특정 스캐닝 속도가 앞서 설명되었지만, 앞서 설명한 것보다 더 크고 더 작은 스캐닝 속도가 모두 고려되며, 이는 본 개시내용이 이러한 방식으로 제한되지 않기 때문이다.
예시된 바와 같이, OPA 조립체(10)는 (예를 들어, 하나 이상의 광케이블을 통해) 하나 이상의 레이저 에너지 소스(12)에 광학적으로 결합될 수 있을 뿐만 아니라, 빔(2)을 조정 및/또는 성형하기 위해 OPA의 위상 시프터를 제어하도록 구성된 제어기(14)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 일부 경우에, 제어기는 OPA의 고주파 동작 및 제어를 가능하게 하기 위해 위상 시프터에 결합된 고속 FPGA를 포함할 수 있다. 또한, 본 출원에 설명된 제어기는 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 개시된 방법 및 동작을 수행하기 위해 본 출원에 설명된 시스템 및 컴포넌트를 제어할 수 있는 명령어를 저장하는 연관 비일시적 프로세서 판독 가능 메모리 또는 다른 매체를 포함할 수 있다.
도 2는 적층 제조 시스템의 구축 표면 상으로 레이저 에너지를 지향시키는 데 사용될 수 있는 OPA 조립체(100)의 일 실시예를 도시한다. 시스템은 시드 레이저라고 할 수 있는 레이저 에너지 소스(102)를 포함한다. 레이저 에너지는 소스(102)로부터 레이저 에너지를 복수의 광섬유로 분할하는 커플러(104)로 투과되며, 이는 섬유를 통과하는 레이저 에너지의 위상을 변조하기 위해 광섬유를 신장시키도록 배열된 압전 섬유 위상 변조기 스트레처(stretcher)와 같은 복수의 섬유 위상 시프터(106)로 레이저 에너지를 투과시킨다. 위상 시프터에 진입하기 전에, 각각의 섬유의 레이저 에너지 또는 상이한 광학 경로를 따라 투과되는 레이저 에너지는 실질적으로 서로 위상이 같을 수 있으며 동일한 파장 또는 파장 범위를 가질 수 있다. 레이저 에너지가 위상 시프터를 통과하면, 변조된(즉, 위상 시프트된) 레이저 에너지는 레이저 에너지의 출력을 원하는 출력 수준(예를 들어, 분말 융합 프로세스에 적절한 출력 수준)으로 증폭하도록 구성된 복수의 증폭기(108)를 통해 투과된다. 증폭기(108)에서 나오는 광섬유의 단부는 섬유 홀더(110)에 수용되고, 이는 1차원 또는 2차원 어레이와 같은 레이저 에너지 이미터의 원하는 패턴을 형성하기 위해 섬유 단부를 배열하도록 구성 및 배열될 수 있다. 섬유 홀더는 섬유를 원하는 패턴으로 배열하기 위해 임의의 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 또는 다른 구조는 광섬유를 원하는 패턴으로 배열하기 위해 광섬유가 개별적으로 연결될 수 있는 복수의 정밀 드릴 구멍을 포함할 수 있지만, 섬유 홀더의 다른 구성이 또한 사용될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 그렇게 제한되지 않기 때문이다. 일부 실시예에서, 섬유는 일부 응용에서 이미터 간격을 더 감소시킬 수 있는 다수의 코어를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, OPA 조립체는 아래에서 설명되는 바와 같이 피드백 제어 시스템에서 사용될 수 있는 섬유 홀더(110)에 유지된 광섬유로부터 방출된 레이저 에너지의 위상을 검출하기 위한 위상 검출기(112)를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 피드백 제어가 OPA 조립체 내부 또는 외부에 위치된 하나 이상의 센서를 사용하여 구현될 수 있는 데, 이는 본 개시내용이 피드백 제어가 구현되는 방식에 제한되지 않기 때문이다. 또한, 일부 실시예에서, 섬유 홀더(110) 밖으로 투과된 레이저 에너지는 구축 표면으로 지향되기 전에 렌즈와 같은 하나 이상의 광학 요소(114)를 통과할 수 있다. 예시된 바와 같이, 제어기(116)는 레이저 에너지 소스(102), 위상 시프터(106), 및 위상 검출기에 결합된다. 제어는 섬유 홀더(110)로부터 및 광학 요소(114)(포함된 경우)를 통해 구축 표면을 향해 방출되는 레이저 에너지의 원하는 형상 및/또는 패턴을 달성하기 위해 이들 컴포넌트 각각의 동작을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 검출기(112)로 측정된 위상에 기초하여 각각의 위상 시프터(106)를 통과하는 레이저 에너지의 위상을 제어하기 위해 능동 피드백 체계를 이용할 수 있다.
도 3은 OPA 조립체(200)의 다른 실시예를 도시한다. 앞서 설명한 실시예와 유사하게, OPA 조립체(200)는 1차원 또는 2차원 어레이와 같은 원하는 패턴의 레이저 에너지 이미터에서 광섬유의 단부를 유지하도록 구성 및 배열된 섬유 홀더(206)를 포함한다. 그러나, 이 실시예에서, 어레이의 각각의 이미터는 이후에 분할되는 단일 레이저 에너지 소스를 이용하는 것이 아니라 연관된 레이저 에너지 소스(202)를 갖는다. 특히, OPA 조립체(200)는 위상 시프터(204)에 결합되고 이어서 섬유 홀더(206)에 결합되는 복수의 레이저 에너지 소스(202)를 포함한다. 앞서 설명한 실시예와 유사하게, 위상 검출기(208)는 피드백 제어 체계에서 사용하기 위해 섬유 홀더(208)에 유지된 이미터로부터 방출된 레이저 에너지의 위상을 검출할 수 있고, 조립체는 섬유 홀더(206)와 구축 표면 사이에 하나 이상의 광학 요소(210)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제어기(212)는 레이저 에너지 소스(202), 위상 시프터(204), 및 위상 검출기(208)에 동작 가능하게 결합된다.
도 4는 OPA 조립체(300)의 추가의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 레이저 에너지 소스(302)로부터의 레이저 에너지는 커플러(304)를 통해 분할되고 섬유 홀더(306)에 결합된다. 앞서 설명한 실시예와 유사하게, 섬유 홀더는 레이저 에너지 이미터의 어레이를 정의할 수 있다. 이 실시예에서, 레이저 에너지는 이미터 어레이로부터 방출될 수 있고, 이어서 레이저 에너지의 위상을 변조하고 레이저 에너지의 결과적인 빔을 조정 및/또는 성형하도록 구성된 복수의 자유 공간 위상 시프터(308)를 통과할 수 있다. 예시된 바와 같이, 위상 시프터는 섬유 홀더(306)로부터 위상 시프터(308)로 레이저 에너지를 집중 및/또는 지향시킬 수 있는 렌즈와 같은 광학 요소(310) 사이에 위치될 수 있다. 일부 경우에, 이들 광학 요소는 자유 공간 위상 시프터(308)를 통해 위상 시프트를 겪기 전에 섬유 홀더로부터 방출된 인접한 레이저 에너지 웨이브프론트 사이의 간격을 감소시키기 위해 섬유 홀더(306)로부터 방출된 레이저 에너지를 성형하도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 간격은 레이저 에너지 파장의 약 절반으로 줄어들 수 있으며, 이는 앞서 설명한 바와 같이 바람직하지 않은 사이드 로브를 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 위상 시프터(308)는 각각의 위상 시프터를 통과하는 레이저 에너지의 위상을 제어하여 결과적인 레이저 에너지 빔을 조정 및/또는 성형하도록 제어기(312)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 추가 광학 요소(310)가 위상 시프터의 이후에 위치될 수 있다.
도 5는 적층 제조 시스템에서 이용될 수 있는 OPA 조립체(400)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, OPA는 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판 상에 형성된다. 이 실시예에서, 레이저 에너지 소스(402)로부터의 레이저 에너지는 반도체 기판(404)에 결합되고, 레이저 에너지는 기판에 형성된 도파로(410)를 통해 기판(404)에 형성된 복수의 이미터(406)로 투과된다. 예를 들어, 이미터(406)는 기판의 평면 및/또는 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 레이저 에너지를 방출하도록 구성된 격자 이미터로서 구성될 수 있다. 이미터에 도달하기 전에, 레이저 에너지는 반도체 기판에 형성된 복수의 위상 변조기(408)를 통해 투과될 수 있으며, 위상 변조기는 제어기(412)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 경우에, OPA 조립체(400)가 단일 통합 컴포넌트로 형성될 수 있도록, 제어기가 또한 반도체 기판에 형성될 수 있다.
도 6a는 광학 위상 어레이 및 리슬리 프리즘 조립체를 포함하는 적층 제조 시스템(550)의 일 실시예를 도시한다. 도시된 실시예에서, OPA 조립체(502)로부터 출력된 빔(504)은 리슬리 프리즘 조립체(500)를 향하여 지향될 수 있다. 도면의 실시예에서, 리슬리 프리즘 조립체(500)는 제1 웨지 프리즘(508a), 제2 웨지 프리즘(508b), 제3 웨지 프리즘(508c), 및 제4 웨지 프리즘(508d)을 포함한다. 각각의 웨지 프리즘은 연관 작동기에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨지 프리즘은 트랜스미션을 통해 작동기에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 작동기가 복수의 웨지 프리즘에 결합될 수 있다. 도면의 실시예에서, 웨지 프리즘(508a-508d)은 (제각기) 트랜스미션(510a-510d)을 통해 (제각기) 작동기(509a-509d)에 결합된다.
제1 및 제2 웨지 프리즘(508a, 508b)은 제1 리슬리 프리즘 쌍을 형성하고, 제3 및 제4 웨지 프리즘(508c, 508d)은 제2 리슬리 프리즘 쌍을 형성한다. 제1 및 제2 리슬리 프리즘 쌍은 이중 리슬리 프리즘 쌍을 형성한다. 다른 실시예에서, 다른 수의 웨지 프리즘이 리슬리 프리즘 조립체에 포함될 수 있으며, 본 개시내용은 4개의 웨지 프리즘을 포함하는 리슬리 프리즘 조립체로 제한되지 않는다.
도면의 실시예에서, 제1 웨지 프리즘(508a)의 입력 표면(520a)은 제1 웨지 프리즘의 출력 표면(521a)에 대해 비스듬히 배향된다. 명확성을 위해 도 6a에는 표시되지 않았지만, 각각의 웨지 프리즘(508a-508d)은 출력 표면에 대해 비스듬히 배향된 입력 표면을 포함한다. 리슬리 프리즘 쌍(예를 들어, 제1 및 제2 웨지 프리즘(508a 및 508b), 또는 제3 및 제4 웨지 프리즘(508c 및 508d)) 내에서, 리슬리 쌍의 제1 웨지 프리즘의 출력 표면은 리슬리 쌍의 제2 웨지 프리즘의 입력 표면에 평행할 수 있고, 이는 일부 실시예에서는 구축 표면(506)에 평행할 수도 있다. 그러나, 도 6a에서 웨지 프리즘의 특정 배열 및 그들의 상대적 배향(및 구축 표면에 대한 위치 및 배향)은 단지 하나의 가능한 실시예의 예이며, 본 개시내용은 도면의 실시예에 제한되지 않는다는 것을 인식해야 한다.
도 6a의 실시예에서, OPA 조립체(502)로부터 출력된 빔(504)이 리슬리 프리즘 조립체(500)의 각각의 웨지 프리즘(508a-508d)을 통과할 때, 빔(504)은 굴절된다. 웨지 프리즘을 회전시키면, 빔(504)이 웨지 프리즘을 나가는 각도를 조절할 수 있다. 따라서, 리슬리 프리즘 조립체(500)의 웨지 프리즘(508a-508d)의 상대 및 절대 회전 위치 모두를 제어함으로써, 적층 제조 시스템은 OPA 조립체 자체를 사용하여 달성할 수 있는 것보다 더 큰 영역에 걸쳐 구축 표면(506) 상의 빔(504)의 위치를 조정할 수 있다. 다시 말하지만, 이는 구축 표면 상으로 지향된 레이저 빔의 위치와 형상 모두에 대해 빠르고 정확한 제어를 허용할 수 있다.
도면에는 단일 빔(504)만이 도시되어 있지만, OPA 및 리슬리 프리즘 조립체를 특정하는 적층 제조 시스템과 함께 사용하기 위한 원하는 웨이브프론트 패턴 또는 이미지를 제공하기 위해 임의의 적절한 배열로 배열된 임의의 적절한 수의 빔이 사용될 수 있으며, 이는 본 개시내용이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이라는 점을 인식해야 한다. 추가적으로, 단일 OPA 및 연관 리슬리 프리즘 조립체가 도시되어 있지만, 적층 제조 시스템은 적층 제조 시스템의 구축 표면에 걸쳐 개별 OPA에 의해 출력된 패턴의 대규모 스캐닝을 조정하는 데 사용되는 임의의 적절한 수의 OPA 및 연관 리슬리 프리즘 조립체를 포함할 수 있다.
OPA 조립체(502)는 (예를 들어, 하나 이상의 광케이블을 통해) 하나 이상의 레이저 에너지 소스(512)에 광학적으로 결합될 수 있다. 도 6b는 도 6a의 OPA 조립체(502)의 저면도를 도시하며, OPA 조립체에 의해 출력된 개별 레이저 빔에 대응할 수 있는 복수의 픽셀을 도시한다. OPA 조립체(502)는 또한 빔(504)을 조정 및/또는 성형하기 위해 OPA의 위상 시프터를 제어하도록 구성된 제어기(514)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 제어기(514)는 웨지 프리즘(508a-508d)과 연관된 작동기(509a-509d) 및/또는 트랜스미션(510a-510d)에 추가적으로 결합될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 일부 경우에, 제어기는 OPA의 고주파 동작 및 제어를 가능하게 하기 위해 위상 시프터에 결합된 고속 FPGA를 포함할 수 있다. 또한, 본 출원에 설명된 제어기는 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 개시된 방법 및 동작을 수행하기 위해 본 출원에 설명된 시스템 및 컴포넌트를 제어할 수 있는 명령어를 저장하는 연관 비일시적 프로세서 판독 가능 메모리 또는 다른 매체를 포함할 수 있다.
도 7은 적어도 부분적으로 리슬리 프리즘을 동작시키는 것으로 인해 구축 표면(606)을 가로지르는 픽셀의 경로(610)의 일 실시예를 도시한다. 이론에 얽매이기를 바라지는 않지만, 리슬리 프리즘을 사용하여 로즈 커브(Rose Curves)라고도 지칭되는 규칙적으로 반복되는 패턴을 생성할 수 있다. 리슬리 프리즘을 사용하여 선, 원, 타원, 및 기타 형상을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 리슬리 프리즘의 웨지를 일정하지 않은 속도로 회전시키는 등에 의해 비연속적인 패턴을 생성할 수 있다. 리슬리 프리즘 조립체와 OPA 조립체를 조합함으로써, 사실상 임의의 패턴을 제한 없이 달성할 수 있다.
본 출원에 설명된 기술의 앞서 설명한 실시예는 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에서 제공되든 또는 다수의 컴퓨터에 분산되어 있든 간에 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서 집합에서 실행될 수 있다. 이러한 프로세서는 CPU 칩, FPGA, GPU 칩, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 코프로세서와 같은 이름으로 본 기술 분야에 공지된 상업적으로 이용 가능한 집적 회로 컴포넌트를 포함하는 집적 회로 컴포넌트에 하나 이상의 프로세서가 있는 집적 회로로 구현될 수 있다. 대안적으로, 프로세서는 ASIC와 같은 주문형 회로, 또는 프로그램 가능 로직 디바이스를 구성하는 것에 기인한 반주문형 회로로 구현될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 프로세서는 상업적으로 이용 가능한, 반주문형이든 또는 주문형이든 간에 더 큰 회로 또는 반도체 디바이스의 일부일 수 있다. 특정 예로서, 일부 상업적으로 이용 가능한 마이크로프로세서에는 다수의 코어가 있고 이러한 코어 중 하나 또는 서브세트가 프로세서를 구성할 수 있다. 그러나, 프로세서는 임의의 적절한 형식의 회로를 사용하여 구현될 수 있다.
본 교시가 다양한 실시예 및 예와 함께 설명되었지만, 본 교시가 이러한 실시예 또는 예로 제한되게 하려는 것은 아니다. 본 개시내용의 다양한 양태는 단독으로, 조합으로, 또는 상기에서 설명한 실시예에서 구체적으로 설명되지 않은 다양한 배열로 사용될 수 있으며, 따라서 그 응용에 있어서 상기의 설명에서 설명된 또는 도면에 예시된 컴포넌트의 세부사항 및 배열에 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서 설명된 양태는 다른 실시예에서 설명된 양태와 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 본 교시는 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이 다양한 대안, 수정, 및 등가물을 포함한다. 따라서, 상기의 설명 및 도면은 단지 예일뿐이다.

Claims (27)

  1. 적층 제조 시스템이며,
    구축 표면;
    레이저 에너지를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지 소스;
    하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합된 광학 위상 어레이로서, 광학 위상 어레이는 하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합되고 레이저 에너지의 위상을 제어하도록 구성된 하나 이상의 위상 시프터를 포함하는, 광학 위상 어레이; 및
    복수의 웨지 프리즘을 포함하는 리슬리(Risley) 프리즘 조립체를 포함하고,
    광학 위상 어레이는 레이저 에너지를 리슬리 프리즘 조립체를 향해 지향시키도록 구성되며,
    리슬리 프리즘 조립체는 레이저 에너지를 구축 표면을 향해 지향시키도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 리슬리 프리즘 조립체는 이중 리슬리 프리즘 쌍을 포함하는, 적층 제조 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 광학 위상 어레이 및 리슬리 프리즘 조립체에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 더 포함하고, 프로세서는 광학 위상 어레이로 레이저 에너지의 위상을 제어함으로써 구축 표면을 향해 지향된 하나 이상의 레이저 에너지 빔의 위치를 제어하도록 구성되고, 프로세서는 리슬리 프리즘 조립체의 하나 이상의 웨지 프리즘의 각도 위치를 제어함으로써 구축 표면을 향해 지향된 하나 이상의 레이저 에너지 빔의 위치를 제어하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 레이저 에너지 소스로부터 방출된 레이저 에너지의 위상을 검출하도록 구성된 하나 이상의 센서를 더 포함하고, 프로세서는 검출된 위상에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 레이저 에너지 소스로부터 방출된 레이저 에너지의 위상을 제어하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 광학 위상 어레이는 적어도 10 m/s의 속도로 구축 표면을 따라 하나 이상의 레이저 에너지 빔을 스캐닝하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 광학 위상 어레이는 반도체 기판을 포함하고, 반도체 기판에는 복수의 도파로, 이미터, 및 위상 시프터가 형성되는, 적층 제조 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 반도체 기판은 반도체 기판으로부터 열을 제거하도록 구성된 냉각 구조 상에 장착되는, 적층 제조 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 이미터는 2차원 어레이로 배열되고 기판의 표면에 수직인 방향으로 방출하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 이미터는 반도체 기판의 에지로부터 방출하도록 배열되는, 적층 제조 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 이미터는 2차원 어레이를 형성하도록 적층된 다수의 에지 방출 구조를 포함하는, 적층 제조 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 리슬리 프리즘 조립체의 웨지 프리즘 각각은 광학 위상 어레이로부터의 레이저 에너지의 웨이브프론트를 단일 방향으로 지향시키도록 구성된 평면 웨지 프리즘인, 적층 제조 시스템.
  12. 적층 제조 방법이며,
    복수의 레이저 에너지 소스로부터 레이저 에너지를 방출하는 단계;
    구축 표면 상으로 지향된 적어도 하나의 레이저 빔의 형상을 제어하기 위해 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계; 및
    하나 이상의 웨지 프리즘으로 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계는 광학 위상 어레이로 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 광학 위상 어레이로 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계는 복수의 위상 시프터로 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 위상을 검출하는 단계 및 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 검출된 위상에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제12항에 있어서, 구축 표면을 따라 적어도 하나의 레이저 빔을 스캐닝하기 위해 복수의 레이저 에너지 소스 각각에 의해 방출된 레이저 에너지의 위상을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 적어도 10 m/s의 속도로 구축 표면을 따라 적어도 하나의 레이저 빔을 스캐닝하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제12항에 있어서, 하나 이상의 웨지 프리즘으로 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 조절하는 단계는 구축 표면에 수직인 축을 중심으로 하나 이상의 웨지 프리즘 중 적어도 하나를 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 하나 이상의 웨지 프리즘 중 적어도 하나를 회전시키는 단계는 리슬리 프리즘 조립체의 적어도 한 쌍의 웨지 프리즘 중 적어도 하나의 웨지 프리즘을 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 리슬리 프리즘 조립체의 적어도 한 쌍의 웨지 프리즘 중 적어도 하나의 웨지 프리즘을 회전시키는 단계는 이중 리슬리 프리즘 쌍의 두 쌍의 웨지 프리즘 중 적어도 하나의 웨지 프리즘을 회전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 적층 제조 시스템이며,
    구축 표면;
    레이저 에너지를 방출하도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지 소스;
    하나 이상의 레이저 에너지 소스에 동작 가능하게 결합된 광학 위상 어레이로서, 광학 위상 어레이는 구축 표면 상으로 지향된 적어도 하나의 레이저 빔의 형상을 제어하도록 구성되는, 광학 위상 어레이; 및
    구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 제어하도록 구성된 리슬리 프리즘 조립체를 포함하는, 적층 제조 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 광학 위상 어레이는 적어도 하나의 레이저 빔을 리슬리 프리즘 조립체를 향해 지향시키도록 구성되고, 리슬리 프리즘 조립체는 적어도 하나의 레이저 빔을 구축 표면을 향해 지향시키도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 리슬리 프리즘 조립체는 복수의 웨지 프리즘을 포함하는, 적층 제조 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 복수의 웨지 프리즘 각각은 구축 표면에 수직인 축을 중심으로 회전하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 리슬리 프리즘 조립체는 복수의 웨지 프리즘 중 적어도 하나를 회전시킴으로써 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 제어하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
  26. 제21항에 있어서, 광학 위상 어레이는 레이저 에너지의 위상을 제어하도록 구성된 하나 이상의 위상 시프터를 포함하는, 적층 제조 시스템.
  27. 제21항에 있어서, 광학 위상 어레이 및 리슬리 프리즘 조립체에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 더 포함하고, 프로세서는 광학 위상 어레이 및/또는 리슬리 프리즘 조립체를 조절함으로써 구축 표면 상의 적어도 하나의 레이저 빔의 위치를 제어하도록 구성되는, 적층 제조 시스템.
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