KR20230142818A - 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템 - Google Patents

청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230142818A
KR20230142818A KR1020237033515A KR20237033515A KR20230142818A KR 20230142818 A KR20230142818 A KR 20230142818A KR 1020237033515 A KR1020237033515 A KR 1020237033515A KR 20237033515 A KR20237033515 A KR 20237033515A KR 20230142818 A KR20230142818 A KR 20230142818A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
additive manufacturing
laser
metals
manufacturing systems
powder
Prior art date
Application number
KR1020237033515A
Other languages
English (en)
Inventor
마크 에스. 제디커
잔 리
진 미셸 펠라프라트
피너프 매튜
에릭 보스
Original Assignee
누부루 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 누부루 인크. filed Critical 누부루 인크.
Publication of KR20230142818A publication Critical patent/KR20230142818A/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • B22F12/17—Auxiliary heating means to heat the build chamber or platform
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/362—Process control of energy beam parameters for preheating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/364—Process control of energy beam parameters for post-heating, e.g. remelting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/368—Temperature or temperature gradient, e.g. temperature of the melt pool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80—Data acquisition or data processing
    • B22F10/85—Data acquisition or data processing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/20—Cooling means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/30—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B22F12/42—Light-emitting diodes [LED]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B22F12/43—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam pulsed; frequency modulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/44—Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45—Two or more
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/46—Radiation means with translatory movement
    • B22F12/47—Radiation means with translatory movement parallel to the deposition plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/52—Hoppers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/60—Planarisation devices; Compression devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342—Build-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/245—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/295—Heating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/364—Conditioning of environment
    • B29C64/371—Conditioning of environment using an environment other than air, e.g. inert gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

고해상도 적층 제작 시스템은 공간 광 변조기를 사용하는 병렬 인쇄 방법을 기초로 한다. 적층 제작 방법 및 시스템은 레이저 빔 경로에서 DMD를 사용한다. 예열 레이저 빔은 빌드 레이저 빔 경로를 따라 DMD를 갖는 빌드 레이저 빔과 함께 사용된다.

Description

청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템{BLUE LASER METAL ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEM}
본 출원은 (i) 35 U.S.C.§119(e)(1) 하에서, 2018년 8월 24일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/722,198 호의 출원일의 이득을 주장하고 이의 우선권 이득을 주장하며; (ii) 35 U.S.C.§119(e)(1) 하에서, 2018년 9월 1일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/726,233 호의 출원일의 이득을 주장하고 이의 우선권 이득을 주장하며, 이들 각각의 전체 개시는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 발명은 재료의 레이저 처리, 특히 약 350 nm 내지 약 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 레이저 적층 제작 공정을 포함하는 재료의 레이저 빌드에 관한 것이다.
적외선(IR) 기반(예를 들어, 700 nm보다 큰 파장, 특히 1,000 nm보다 큰 파장을 가짐) 적층 제작 시스템은 무엇보다도, 빌드 체적(build volume)과 빌드 속도 모두를 제한하는 2 가지 단점을 겪는다. 이들 IR 시스템에서, 빌드 체적은 스캐닝 시스템의 유한 크기 및 주어진 초점 거리의 시준기(collimator)와 f-세타 렌즈(f-theta lens)에 대해 생성될 수 있는 스폿에 의해 제한된다. 예를 들어, 그러한 이전 IR 시스템에서, 14 mm 초점 거리의 시준기와 500 mm F-세타 초점 거리의 렌즈를 사용할 때 회절 제한 IR 레이저 빔에 대한 스팟 크기는 약 350 ㎛이다. 이는 약 85 mm x 85 mm의 원료 빌드 재료, 예를 들어 분말 층에 주소지정 가능한 풋 프린트(foot print)를 제공하며, 이는 차례로, 그 주어진 해상도(예를 들어, 스팟 크기)에 대한 빌드 체적에 유한 제한을 생성하거나 확립한다. IR 레이저 시스템의 빌드 속도에 대한 제 2 제한은 재료에 의한 레이저 빔의 흡수이다. 원래 대부분의 원료 빌드 재료가 적외선 스펙트럼에서 파장에 대해 보통에서 낮은 반사율을 갖지만, 높고 매우 높은 IR 반사율을 갖는, 은, 백금, 구리 및 알루미늄과 이들의 합금과 같은 금속을 사용하여 적층 제작이 시작되기 때문에, IR 적층 제작에서 이들 높은 반사 IR 유형의 빌드 재료를 사용하는데 문제가 발생한다. 그 결과, 적외선 레이저 에너지를 원료 빌드 재료, 예를 들어 분말 층 또는 입자에 커플링시키는 것은 에너지의 상당한 부분이 원료 빌드 재료로 뒤로 또는 더 깊숙이 반사되도록 제한된다. 이들 제한은 다른 방식으로 묶이거나 서로 연결되어 IR 적층 시스템의 문제와 결함을 더욱 가중시킨다. 따라서 적외선 레이저 광의 유한 침투 깊이는 최적의 층 두께를 결정하고 결과적으로 공정의 해상도를 제한한다. 따라서 IR 레이저 시스템은 전형적인 원료 빌드 재료에 대한 그들의 반사율 때문에, 제한된 층 두께를 가져서 해상도가 제한된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "UV", "자외선", "UV 스펙트럼", "스펙트럼의 UV 부분" 및 유사한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 약 10 nm 내지 약 400 nm 및 10 nm 내지 400 nm 파장의 광을 포함할 것이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "가시광", "가시 스펙트럼", "스펙트럼의 가시 부분" 및 유사한 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 약 380 nm 내지 약 750 nm 및 400 nm 내지 700 nm 파장의 광을 포함할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "청색 레이저 빔(blue laser beam)", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 400 nm(나노 미터) 내지 500 nm 및 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔, 또는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 청색 레이저는 450 nm, 약 450 nm, 460 nm, 약 460 nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10 pm(피코 미터) 내지 약 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm 뿐만 아니라 더 크고 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색(green)"이라는 용어는 그들의 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 500 nm 내지 575 nm, 약 500 nm 내지 약 575 nm의 파장을 갖는 레이저 빔, 또는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저 및 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 녹색 레이저는 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm 및 약 550 nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm 뿐만 아니라 더 크고 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "약" 및 기호 "~"는 달리 명시되지 않는 한, ± 10%의 편차 또는 범위, 명시된 값을 얻는 것과 관련된 실험 또는 기기 오류, 그리고 바람직하게 이들 중 더 큰 값을 포함하는 의미이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 언급되지 않는 한, 실온은 25 ℃이다. 그리고 표준 주위 온도 및 압력은 25 ℃ 및 1 기압이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성, 및 온도 의존성, 압력 의존성 또는 둘 다인 값은 표준 주변 온도 및 압력에서 제공되며, 여기에는 점도가 포함될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 본 명세서의 값 범위의 인용은 단지, 범위 내에 속하는 각각의 별도 값을 개별적으로 지칭하는 약식 방법으로서 역할을 하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한, 범위 내의 각각의 개별 값은 마치 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다.
전형적으로, 적층 제작에 오늘날 사용되는 방법은 적외선 레이저 및 검류계(galvanometer)를 사용하여 미리 결정된 패턴으로 분말 층의 표면을 가로질러 레이저 빔을 스캔하는 것이다. IR 레이저 빔은 액화 분말을 용융시켜 하층 또는 기판에 융합시키는 키홀 용접 공정(keyhole welding process)을 생성하는데 충분한 세기이다. 이러한 접근 방식은 공정의 속도를 결정하는 여러 제한사항을 가진다. 예를 들어, 단일 레이저 빔이 표면을 스캔하는데 사용되며 빌드 속도는 검류계의 최대 스캔 속도(7 m/초)에 의해 제한된다. 제조업자는 IR 기술을 강력하게 수용하고, 전형적으로 이것이 유일한 실행 가능한 파장이라고 믿고 있으며, 따라서 두 개 이상의 IR 레이저/검류계를 시스템에 통합하여 이러한 한계를 극복하기 위해 작동하지만, 둘은 함께 작동하여 단일 부품을 빌드하거나 독립적으로 작동하여 부품을 병렬로 빌드할 수 있다. 이들 노력은 적층 제작 시스템의 처리량을 개선하는 목적이 있지만, IR에만 초점을 맞추고 있으며 개선된 적층 제작에 대한 오랜 요구를 충족시키지 못하고 제한적인 성공만을 이루었다.
IR 처리의 다른 제한의 예는 IR 레이저/검류계 시스템에 의해 다루어질 수 있는 유한 체적이다. 고정식 헤드 시스템에서, 빌드 체적은 f-세타 렌즈의 초점 거리, 검류계의 스캐닝 각도, IR 레이저의 파장 및 적외선 레이저의 빔 품질에 의해 정의된다. 예를 들어, 500 mm F-세타 렌즈를 사용하는 IR 레이저는 회절 제한 적외선 레이저에 대해 50 ㎛ 정도의 스폿 크기를 생성한다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력으로 작동하는 경우, 빔의 세기는 키홀 용접 모드를 개시하는데 필요한 세기보다 더 크다. 키홀 용접 모드는 크로스 제트(cross jet)에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 증발 재료의 기둥을 생성하거나, 그렇지 않으면 레이저 빔은 증발 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한, 용접의 키홀 모드가 기화 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 생성하는 것에 의존하기 때문에, 기화 금속 이외의 재료가 키홀에서 방출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터(spatter)로서 지칭되며 최종 부품에 결함을 유도할 수 있는 용융 재료가 빌드 평면의 다른 곳에 증착되게 한다. 적층 제작 시스템 제조업자가 급속 프로토타이핑 기계(rapid prototyping machine)를 개발하는데 일부 제한적인 성공을 거두었지만, 이들은 오랫동안 느꼈던 요구사항을 충족시키고 상업용 또는 실제 부품을 대량으로 제조하는데 필요한 요구사항을 달성하는데 실패했다. 이를 달성하기 위해, 본 발명 이전에 기술을 달성하지 못한 부품 패턴화 방법의 돌파구가 달성되지 못했다.
일반적으로, IR 처리 및 시스템의 문제점 및 실패는 키홀 용접 모드에서 분말을 융합하기 위한 요구사항 또는 필요성이다. 이는 전형적으로 분말을 처리하기 위해 단일 빔을 사용하기 때문일 수 있다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력으로 작동하는 경우, 빔의 세기는 키홀 용접 모드를 개시하는데 필요한 세기보다 더 크다. 키홀 용접 모드는 크로스 제트에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 증발 재료의 기둥을 생성하거나, 그렇지 않으면 레이저 빔이 증발 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한, 용접의 키홀 모드가 기화 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 생성하는 것에 의존하기 때문에, 기화 금속과 같은 재료가 키홀에서 방출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터로서 지칭되며 최종 부품에 결함을 유도할 수 있는 용융 재료가 빌드 평면의 다른 곳에 증착되게 한다.
광학적으로 활성화된 광 밸브(OALV)를 사용하는 Lawrence Livermore National Laboratories의 최근 연구는 이들 IR 한계를 해결하기 위해 시도되었다. OALV는 고출력 레이저를 사용하여 광 패턴을 생성하는데 사용되는 고출력 공간 광 변조기(high-power spatial light modulator)이다. OALV의 패턴이 프로젝터의 청색 LED 또는 레이저 소스로 생성되지만, 4 개의 레이저 다이오드 어레이의 출력 전력은 공간 광 변조기를 통해 전송되고 이미지를 융점까지 가열하는데 사용되며 키홀 용접을 개시하기 위해 IR 레이저가 필요하다. IR 레이저는 특히, 구리 또는 알루미늄 재료를 융합할 때 용접을 개시하기 위해 키홀 모드에서 사용되며 일반적으로 이들 재료에 필요하다. 이러한 키홀 용접 공정은 전형적으로 스패터, 부품에 다공성뿐만 아니라 높은 표면 거칠기를 생성한다. 따라서 전형적인 IR 시스템과 마찬가지로 OALV 시스템은 빌드 공정의 키홀 개시로 인한 악영향을 제거하지 못한다. 키홀 용접 단계를 완전히 피하는 것이 더 양호하지만, 이러한 문제를 극복하는데 실패했고 이러한 해결책을 제공하지 못했다. 이러한 실패는 주로 IR 파장에서 많은 금속의 흡수 특성이 너무 낮아 공정을 개시하는데 높은 피크 파워 레이저가 필요하기 때문에 발생했다. OALV가 스펙트럼의 IR 영역에서만 투명하기 때문에, 가시 레이저 소스를 고 에너지 광원으로 사용하는 이러한 유형의 시스템을 빌드하거나 사용하는 것이 불가능하다. 이러한 시스템의 구성요소 비용은 특히 OALV가 커스텀 유닛(custom unit)일 때 매우 높다.
종래의 금속 기반 적층 제작 기계는 이들이 고온에서의 통합 단계가 이어지는 분말 층에 분사되는 결합제를 기반으로 하거나 검류계 시스템에 의해 고속으로 분말 층 위에서 스캔되는 고출력 단일 모드 레이저 빔을 기반으로 한다는 점에서 매우 제한적이다. 이들 시스템 모두는 기술이 극복할 수 없었던 중대한 퇴보가 있다. 제 1 시스템은 통합 공정 중 부품의 수축으로 인해 공차가 느슨한 부품을 대량으로 제작할 수 있다. 제 2 공정은 사용될 수 있는 최대 출력 레벨 레이저를 제한하는 검류계의 스캔 속도와 결과적으로 빌드 속도에 의해 빌드 속도가 제한된다. 스캐닝 기반 적층 제작 시스템의 구축자(builder)는 이들 문제에 대한 적절한 해결책을 제공하지 못한 다중 스캔 헤드와 레이저 시스템을 갖춘 빌드 기계에 의해 이러한 한계를 극복하기 위해 노력했다. 이는 실제로 처리량을 증가시키지만, 스케일링 법칙(scaling law)은 선형이다. 즉, 두 개의 레이저 스캐너를 갖춘 시스템은 하나의 스캐너를 사용하는 시스템보다 부품을 두 배 많이 빌드하거나 단일 부품을 두 배 빠르게 빌드할 수 있다. 따라서 현재 이용 가능한 시스템의 한계를 겪지 않는 높은 처리량의 레이저 기반 금속용 적층 제작 시스템이 필요하다.
본 발명의 배경 섹션은 본 발명의 실시예와 연관될 수 있는 본 기술의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 섹션에서 전술한 논의는 본 발명을 더 잘 이해하기 위한 체계를 제공하며, 종래 기술의 인정으로 간주되어서는 안 된다.
본 발명은 IR 적층 제작 시스템 및 공정에 대한 이들 문제 및 기타 문제를 해결하고, 적층 제작 공정 및 시스템이 더 많은 보급을 달성함에 따라서 이들 및 기타 오랜 요구뿐만 아니라 미래의 요구를 해결한다.
따라서, 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이 및 둘 모두를 사용하여 플라스틱 또는 나일론 재료를 직접 융합하거나 1차 레이저가 곧 스캔될 영역의 융점 바로 아래에 있는 영역의 온도를 단순히 제어하기 위해 분말 층에 에너지 패턴을 형성하는 3-D 시스템이 제공된다. 이러한 접근방식을 고려하는 이유는 시스템의 에너지 효율을 향상시키기 위한 것이라고 이론화되었다. 현재 복사 히터, 구역 복사열 또는 빌드 판 온도 제어 시스템은 처리될 전체 비드(bead)를 예열하는데 사용된다. 예열될 영역의 크기를 감소시킴으로써, 시스템의 전체 에너지 소비가 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 DMD(Digital Mirror Device: 디지털 미러 장치) 공간 광 변조기 및 DMD 장치 어레이를 사용하는 것을 기반으로 하며, 이들 둘 다는 플라스틱을 용융시키고 유동시키기는데 충분하지만 금속을 용융시키고 융합하는데 불충분한 연속 모드에서 작동시 전력 밀도가 100 W/cm2 이하로 제한되어야 한다고 가정한다.
레이저와 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이 및 둘 모두를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 에너지 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템(gantry system), 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터(elevator), 융합 전에 분말을 확산시키고 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
또한, 300 내지 400 nm의 파장 범위의 레이저; 400 내지 500 nm 파장 범위의 레이저; 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저; 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저; 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저 중 하나 이상을 갖는 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며; 레이저는 광 파이프, 마이크로-렌즈 균질화기, 회절 요소 및 이들의 조합과 변형에 의해 균질화되며; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에 공유되는 시간이며; 공간 광 변조기는 마이크로-미러의 어레이인 DMD(Digital Micro-Mirror Device: 디지털 마이크로-미러 장치) 어레이이며; 공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 임의의 부류의 공간 광 변조기이며; DMD는 공냉식이며; DMD는 수냉식이며; DMD는 마이크로-채널 쿨러(micro-channel cooler)와 같은 워터 쿨러에 의해 수냉되며; DMD는 Peltier 냉각기에 의해 냉각되며; 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하며; 가열된 빌드 판을 포함하며; 빌드 판 온도를 모니터링 또는 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하며; 빌드 판의 온도를 모니터링 또는 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전대 또는 RTD를 포함하며; 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하며; 패턴이 조명되는 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하며; 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 대기를 사용하며; 레이저-공간 변조기 조합은 금속 융합에 필요한 수-kW/cm2 전력 밀도를 갖는 분말 층을 생성하고 분말 층에 이미지화한다.
레이저와 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이 및 둘 모두를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 에너지 패턴을 형성하는, 예로서 제 2 레이저의 도움으로 전도 모드 용접 공정을 사용하여 분말 층을 예열하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하고, 헤드, 분말 층 및 둘 모두의 운동과 동기화된 DMD를 가로질러 이미지를 스크롤하여 시간, 바람직하게 분말을 용융시키기 위한 더 많은 시간을 제공함으로써 이미지를 연속적으로 인쇄하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
또한, 알루미늄, 양극 산화된 알루미늄, 티타늄, 스틸, 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 이들의 조합뿐만 아니라, 분말과 동일하거나 상이한 재료일 수 있는 임의의 다른 재료를 포함하는 빌드 판의 특징을 갖는 이들 시스템 및 방법이 제공된다.
추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며; 레이저는 대략 450 nm 청색 레이저이고; 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저이고; 레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기에 의해 균질화되고; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 간에 공유되는 시간이고; 2차 레이저가 있고; 2차 레이저는 450 nm 청색 레이저이고; 2차 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위에 있고; 2차 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위에 있고; 2차 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위에 있고; 2차 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위에 있고; 2차 레이저는 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저이고; 광 파이프, 마이크로-렌즈 균질화기 또는 회절 광학 요소에 의해 균질화되고; 2차 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 간에 공유되는 시간이고; 시스템은 공간 광 변조기를 가지며; 공간 광 변조기는 DMD(Digital Micro-Mirror Device)이고; 공간 광 변조기는 수-와트 내지 수-kW 전력 레벨까지 처리할 수 있는 임의의 부류의 공간 광 변조기이고; 시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역 복사 히터를 포함하고; 시스템은 가열된 빌드 판을 포함하고; 시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하고; 시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하고; 시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하고; 시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하고; 시스템은 시스템의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 대기를 사용하고; 시스템은 수-와트 내지 수-kW 전력 밀도를 갖는 분말 층을 생성하고 이미지화하는 레이저-공간 변조기 조합을 포함한다.
또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 제 2 레이저를 갖춘 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며: 제 2 레이저는 시스템에서 예열을 위해 사용되며 수-와트 내지 수-kW의 전력 밀도를 갖는 분말 층에 공간-필터 레이저 시스템의 이미지를 생성하고 중첩시키고; 레이저 시스템은 수-와트 내지 수-kW의 전력 밀도를 갖는 분말 층을 가진다.
또한, 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 에너지 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 서브시스템 및 방법이 제공되며; 레이저는 450 nm 청색 레이저이고; 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위에 있고; 레이저는 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저이고; 레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기에 의해 균질화되고; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 간에 공유되는 시간이고; 공간 광 변조기는 마이크로-미러의 어레이인 DMD(Digital Micro-Mirror Device) 어레이이고; 공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW의 전력 레벨을 처리할 수 있는 임의의 부류의 공간 광 변조기이고; DMD는 공냉식이고; DMD는 마이크로 채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의해 수냉되고; DMD는 펠티에 냉각기(Peltier cooler)에 의해 냉각되고; 시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하고; 시스템은 가열된 빌드 판을 포함하고; 시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하고; 시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하고; 시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하고; 시스템은 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하고; 시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하고; 시스템은 시스템의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 대기를 사용하고; 시스템의 레이저-공간 변조기 조합은 수-kW의 전력 밀도를 갖는 분말 층을 생성하고 이미지화한다.
또한, 레이저 및 공간 광 변조기를 사용하여 분말 층을 예열하기 위한 제 2 레이저의 도움으로 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 이전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
또한, 다중 레이저 및 다중 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 단일 대형 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 이전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
또한, 다중 레이저 및 다중 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 이미지 및 비-이미지의 바둑판 패턴(checkboard pattern)을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템, 분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 이전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버가 제공된다.
또한, 이미지를 생성하고 DMD를 가로질러 이미지를 이동시켜 이동 갠트리 시스템에 고정 이미지를 생성함으로써 융합될 재료에 패턴을 인쇄하기 위한 노출 시간을 연장시키는 레이저 공간 광 변조기 조합이 제공된다. 또한, 금속 분말로부터 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제작 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 빌드 레이저 빔 경로를 따라 빌드 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스; 금속 분말을 가열하기 위한 가열 수단; 레이저 빔 경로의 DMD(Digital Micro-Mirror Device)를 가지며, 그에 의해서 빌드 레이저 빔이 DMD로 향하고, DMD가 DMD로부터 레이저 빔 경로를 따라 광학 조립체로 반사되는 2-D 이미지 패턴을 생성하고, 광학 조립체가 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 함으로써 2D 이미지 패턴이 금속 분말로 전달된다.
추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 서브시스템 및 방법이 제공되며: 가열 수단은 전기 히터, 복사 히터, IR 히터 및 레이저 빔으로 구성된 그룹으로부터 선택되고; 가열 수단은 청색 파장 범위의 파장을 갖는 레이저 빔이고; 금속 분말은 금속 분말의 층을 형성하고; 레이저 빔은 청색 및 녹색으로 구성된 그룹에서 선택된 파장을 가지고; 레이저 빔은 약 450 nm, 약 460 nm, 약 515 nm, 약 532 및 약 550 nm로 구성된 그룹에서 선택된 파장을 가지고; 레이저 소스는 약 1 kW 내지 약 20 kW의 전력을 가지고; 2D 이미지는 약 2 kW/cm2 내지 약 5 kW/cm2의 금속 분말에 피크 전력 밀도를 전달하고; DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지고; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 500 배 더 크고; DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지고; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 1,000 배 더 크고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 100 ℃ 이내로 가열하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃로 가열하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃로 가열하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃로 가열하고 분말을 그 온도로 유지하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃로 가열하고 분말을 그 온도로 유지하도록 구성되고; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하고 분말을 그 온도로 유지하도록 구성되고; 제 2 빌드 레이저 빔 경로를 따라 제 2 빌드 레이저 빔을 제공하는 제 2 레이저 소스를 가지고; 제 2 레이저 빔 경로에 있는 제 2 디지털 마이크로-미러 장치(DMD), 이로써 제 2 빌드 레이저 빔이 제 2 DMD로 향하고, 제 2 DMD는 제 2 DMD로부터 제 2 레이저 빔 경로를 따라 제 2 광학 조립체로 반사되는 제 2 2-D 이미지 패턴을 생성하고; 2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 1 구역으로 전달되고, 제 2 2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 2 구역으로 전달되고; 제 1 구역과 제 2 구역은 상이하고; 제 1 구역과 제 2 구역은 인접해 있다.
추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 서브시스템 및 방법이 제공되며: DMD 어레이는 다음 파장 중 적어도 하나의 파장에 대해 최적화되고: 청색 파장 범위는 400 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm이고, 녹색 파장 범위는 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm이고, 적색 파장 범위는 600 nm 내지 700 nm이다.
추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 서브시스템 및 방법이 제공되며: 빌드 레이저 빔은 다음 파장 중 적어도 하나로부터 선택된 파장을 가지고: 청색 파장 범위는 400 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm이고, 녹색 파장 범위는 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm이고, 적색 파장 범위는 600 nm 내지 700nm이다.
또한, 금속 분말로부터 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제조 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 빌드 레이저 빔 경로를 따라 빌드 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스; 가열 레이저 빔을 제공하기 위한 제 2 레이저 소스; 레이저 빔 경로 상의 DMD(Digital Micro-Mirror Device)를 가지며, 그에 따라 빌드 레이저 빔이 DMD로 향하고, DMD는 DMD로부터 레이저 빔 경로를 따라 광학 조립체로 반사되는 이미지를 생성하고, 광학 조립체가 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 함으로써 이미지가 금속 분말로 전달된다.
또한, 열이 용융 퍼들(molten puddle)을 원하는 빌드 형상으로 조작하여 더 예리한 전이부와 조밀한 부품을 생성하도록 최적화된 그레이 스케일(grey scale)을 사용하여 분말 층에 2-D 패턴을 제때에 또는 제 패턴으로 투사하는 레이저 공간 광 변조기 조합이 제공된다.
본 발명은 무엇보다도, 본 명세서에서 교시되고 개시된 제작 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이들 문제 및 요구를 해결한다.
도 1은 본 발명에 따른 적층 제작 시스템의 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 DMD 프린트 헤드의 실시예의 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 주어진 전력의 실시예에 대한 반복률에 펄스 폭을 비교하는 차트이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 레이저 공간 광 변조기의 실시예를 사용하여 인쇄된 패턴의 사진이다.
도 5는 IR 레이저 시스템과 비교하여 본 발명에 따른 시스템의 실시예에 대한 분말 층에서의 청색 광 흡수를 비교하는 차트이다.
도 6은 본 발명에 따른 중첩 예열 빔 및 빌드 레이저 빔의 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템 및 방법에 대한 타이밍의 실시예의 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 시스템 및 방법에 대한 타이밍의 실시예의 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 DMD 레이저 프린터 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다중 DMD 레이저 프린터 시스템의 실시예의 개략도이다.
일반적으로, 본 발명은 재료의 레이저 처리, 미리 선택된 레이저 빔 파장을 처리될 재료에 매칭시켜 재료에 의한 흡수율이 높거나 증가된 레벨을 갖게 하는 레이저 처리, 더 빠른 속도, 빌드되는 물체의 효율성과 크기를 제공하는 시스템 구성, 및 특히 원료를 시작하여 높은 흡수율을 갖는 레이저 빔을 사용하여 대형 구조물, 부품, 구성요소 및 물품으로 원료를 레이저 적층 제작하는 것에 관한 것이다.
본 시스템 및 방법의 실시예는 임의의 레이저 파장을 사용할 수 있지만, 바람직한 실시예는 공간 광 변조기를 융합될 분말 층의 패턴을 정의하는 수단으로 사용하여 병렬 방식으로 부품의 층을 인쇄하고 융합하기 위해 한 쌍의 청색 레이저를 사용하는 것이다. 실시예에서 레이저 소스 및 레이저 빔은 청색 파장 범위의 파장을 가질 수 있으며 바람직하게 450 nm, 약 450 nm, 460 nm, 약 460 nm 일 수 있고 약 10 pm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm, 및 약 2 nm 내지 약 10 nm뿐만 아니라, 더 크고 작은 대역을 가진다. 실시예에서 레이저 소스 및 레이저 빔은 녹색 파장 범위를 가질 수 있고, 예를 들어 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm, 약 550nm의 파장 범위을 가질 수 있고 10 pm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm, 그리고 약 2 nm 내지 약 10 nm뿐만 아니라 더 크고 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다. 이들 다양한 파장의 조합 및 변형이 시스템에서 사용될 수 있다.
본 시스템 및 방법의 실시예에 대한 프린트 엔진은 DMD(Digital Micro-Mirror Device) 어레이를 기반으로 하며, 그 실시예는 인쇄될 2D 에너지 패턴을 생성하는 Texas Instruments(TI)로부터 얻을 수 있다. TI에서 만든 모든 DMD 제품은 이러한 공정의 후보이며, 도 4a 및 도 4b의 패턴을 인쇄하는데 사용된 DMD는 DLP9500이다. 2-D 에너지 패턴이란 레이저 빔 또는 레이저 빔 패턴이 융합될 분말 층에 형성되는 이미지를 의미한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 이러한 이미지가 2-D 에너지 패턴, 즉 분말 층 상의 이미지로서 관찰되지만, 이는 에너지가 층으로 침투하여 빌드 물체의 하위 층에 재료를 융합함에 따라 깊이, 즉 3-D 피처를 가질 것이다. 이들 프린트 엔진은 본 명세서에서 제공되는 임의의 레이저 적층 제작 시스템 및 방법뿐만 아니라 다른 것들과 함께 사용될 수 있다. 청색 레이저는 재-이미징될 때 분말 층에서 2-D 에너지 패턴으로 수-와트 내지 수-kW의 전력 밀도를 제공할 수 있는 DMD 어레이를 반사시킨다. 제 2 청색 레이저를 추가하여 2-D 에너지 패턴이 이미징되는 정확한 지점에서 분말 층을 예열하여 레이저 - 패턴화된 분말을 하부 층에 융합하기 위한 공간 광 변조기 쌍 -로부터 필요한 에너지를 감소시킬 수 있다. 이러한 프린트 엔진은 2D 이미지가 함께 스티칭되어 부품의 단일 층인 더 큰 2-D 이미지를 형성하게 하는 정밀 갠트리 시스템에 장착된다. 시스템은 바람직하게, 갠트리 시스템의 일부로서 또는 갠트리 시스템과 별도인 분말 확산기 및 빌드 체적의 일부로서의 엘리베이터를 포함한다. 빌드 체적은 바람직하게, 매우 낮은 산소이고 더 바람직하게 무산소이며 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 아르곤-CO2와 같은 융합 공정을 촉진하기 위한 가스 혼합물로 충전될 수 있다. 분말 층과 챔버는 전기 히터, 복사 히터, 이들 및 기타 유형의 히터의 조합 및 변형에 의해 직접 가열되어 제작 공정 중 부품으로부터의 열 손실을 감소시킬 수 있다. 실시예에서, 전도 모드 용접 공정은 각각의 층을 함께 융합하기 위한 바람직한 방법으로서, 본 명세서에 교시되고 개시된 실시예 이전에 모든 적층 제작 스캔 레이저 시스템의 전형적인 공정인 키홀 공정(keyhole process)에서 일반적으로 발생하는 스패터를 제거한다.
일반적으로, DMD는 알루미늄으로 만들어질 수 있는 매우 작은 미러를 사용하여 빛을 반사시켜 이미지를 만드는 장치이다. DMD는 또한 DLP 칩으로 지칭될 수 있다. 이들 장치의 실시예는 그들의 횡단면 치수(예를 들어, 정사각형의 측면, 원의 직경 또는 직사각형의 긴 측면, 이들 장치는 또한 다른 형상일 수 있음)에 대해, 이삼 센티미터, 약 1 cm 내지 약 3 cm, 약 1 cm 내지 약 2 cm, 센티미터 이하, 0.5 cm 미만, 0.2 cm 미만 또는 더 작을 수 있다. 이들 DMD는 약 100,000 내지 4백만 개, 적어도 약 100,000 개, 적어도 약 500,000 개, 적어도 약 1 백만 개, 적어도 약 2 백만 개 이상의 미러를 포함할 수 있으며, 각각의 미러는 약 4 μm 이하, 약 7.56 μm 이하, 약 10.8 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 그리고 이들 및 더 크고 더 작은 크기의 조합 및 변형의 값을 가진다. 미러는 예를 들어, 사진 모자이크(photo mosaic)와 같은 미리 결정된 패턴, 예컨대 매트릭스로 배치될 수 있으며, 각각의 미러는 하나의 픽셀을 나타낸다.
실시예에서 DMD는 그것의 논리값(0 또는 1)에 따라 미러가 온 또는 오프 위치로 기울어지도록 정전기적으로 야기될 메모리 셀인 CMOS DDR SRAM 칩; 히트 싱크(heat sink); 미러를 먼지와 파편으로부터 보호하면서 레이저가 통과하게 하는 광학 창(optical window)을 포함한다.
실시예에서, DMD는 형성되어 표시될 이미지의 픽셀에 대응하는 전형적으로 직사각형 어레이로 배열된 수십만 개의 미세한 미러를 그의 표면에 가진다. 미러는 켜짐 또는 꺼짐 상태로 개별적으로 회전(예를 들어, ± 10 내지 12 ° 또는 그 이하)할 수 있다. 켜진 상태에서, 레이저 소스로부터의 레이저(예를 들어, 빌드 레이저 및 빌드 레이저 빔)가 렌즈에 반사되어 픽셀이 빌드 레이저 에너지를 분말 층에 이미지로 보낸다. 커짐 상태에서, 레이저 빔(예를 들어, 빌드 레이저)은 다른 곳(예를 들어, 빔 덤프(beam dump))으로 보내 픽셀이 이미지 또는 분말의 융합에 기여하지 않게 한다. 실시예에서, 예열 레이저 빔은 DMD 장치로 향하고 반사되어 층의 분말에 예열 이미지를 형성하는 것으로 이해된다.
도면의 그레이 스케일과 유사한 것으로 이론화될 수 있는 실시예에서, 미러는 매우 빠르게 켜고 끌 수 있으며, 켜짐 시간 대 꺼짐 시간의 비율은 분말 층 내의 분말의 융합 또는 결합의 양을 결정한다. 이는 레이저 소스로부터 출력 빔의 출력을 변경하지 않고 분말 층에서 레이저 빔의 레이저 출력 및 출력 밀도(예를 들어, kW/cm2)를 제어할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 500 개 초과의 상이한 전력 및 전력 밀도, 700 개 초과의 상이한 전력 및 전력 밀도, 및 100,000 개 초과의 상이한 전력 및 전력 밀도가 획득될 수 있다. 그레이 스케일 효과를 달성하기 위한 대안적인 방법은 이미지를 픽셀화하여 처리될 재료의 열 확산 길이에 비해 크기가 작은 개별 픽셀을 제거하는 것이다. 이는 이미지에 전달되는 평균 전력을 효과적으로 감소시킨다. 이러한 그레이 스케일은 시간 또는 공간에 관계없이 용융 풀(melt pool)을 조작하고 이를 선호하는 형상으로 강제하는데 사용될 수 있다.
본 시스템, 프린트 헤드 및 프린트 엔진에서 사용하기 위한 DMD의 실시예는 TI에서 얻을 수 있으며, 이들 DMD는 디지털 제어기를 갖춘, DLP2010, DLP3000, DLP3010, DLP4500, DLP4710, DLP5500, DLP6500, DLP7000, DLP9000, DLP9000x, DLP9500; DLPA2000, DLPA3000, DLPA3005, DLPC3430, DLPC3433, DLPC3435, DLPC3438, DLPC3439, DLPC3470, DLPC3478을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 도 1에는 적층 제작 시스템(100)의 실시예가 도시된다. 시스템(100)은 베이스(108) 상에 장착된 갠트리 시스템(101)을 갖는 베이스(108)를 가진다. 갠트리 시스템(101)은 DMD 프린트 헤드(103)의 운동을 제공한다. 이러한 운동은 x-축(102) 또는 y-축(102a)에서 있을 수 있다. 시스템(100)은 분말 층 엘리베이터(104)(빌드되어 다음 층이 부품에 증착됨에 따라서 부품을 아래로 이동시키기 위한), 분말 층 스프레더(105) 및 분말 롤러(106)를 가진다. DMD 프린트 헤드(103)로부터의 이미지(107)는 분말 표면에 도면에서 표시된다. 시스템은 층류 에어 나이프(laminar flow air knife)(109) 및 고온계 또는 FLIR 카메라(110)를 가진다. 베이스(108) 및 갠트리 시스템(101)은 예를 들어, 레이저 빔 전송을 위한 갠트리 전력, 제어 라인 및 광섬유를 포함할 수 있는 배선 하니스(wiring harness)(111)를 가진다. 레이저 소스 또는 그 일부는 실시예에서, 갠트리 상에 위치하여 갠트리와 함께 이동할 수 있다. 실시예에서, 레이저 소스는 베이스로부터 멀리, 레이저 헤드로부터 멀리, 또는 둘 모두에 위치되고, 예를 들어 광섬유에 의해 레이저 헤드(103)와 광 통신하도록 배치된다. 레이저 소스는 또한, 레이저 빔이 프린트 헤드에 대해 자유 공간을 가로지르는 플라잉(flying) 광학 헤드 디자인으로 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2에는 레이저 DMD 프린트 헤드(200)의 실시예의 절개된 사시도가 도시된다. 이러한 실시예는 도 1의 시스템뿐만 아니라 다른 것들을 포함하는 본 발명의 임의의 시스템과 함께 사용될 수 있다. 레이저 DMD 프린트 헤드(200)는 광학 구성요소를 포함하고 제 1 레이저 입력(201) 및 제 2 레이저 입력(212) 및 출력 또는 출구 창(209)을 갖는 하우징(230)을 가진다. 하우징(230)으로 이동하는 레이저 빔이 광학 장치를 향하고 그에 의해 형상화되며 그 다음 출구 창(209)을 통해 하우징(230)을 빠져나와 패턴을 (이 도면에 도시되지 않은 분말 층에)형성한다. 실시예에서, 이들 레이저 입력(201, 212)은 예를 들어, 레이저 빔을 프린트 헤드로 전송하기 위해 레이저 소스에 연결된, 레이저 빔을 레이저 소스로부터 전송하기 위한 커넥터 및 섬유, 예컨대 QBH 광섬유 케이블이다. 하우스(230) 내의 광학 장치는 각각의 입력에 대해 하나씩 두 개의 레이저 빔 경로를 정의한다. 제 1 레이저 빔 경로를 따라서, 레이저 빔 전파 방향으로 입력(201), 시준 렌즈(205), 회전 미러(206), DMD(202)(냉각기(203)에 의해 냉각됨), 꺼짐 상태 빔 덤프(204)(또한, 냉각될 수 있음), 및 레이저 빔이 창(209)을 통해 이동하여 이미지(210)를 형성하는 DMD 이미징 렌즈(208)가 있다. 제 2 레이저 빔 경로를 따라서, 레이저 빔 전파 방향으로 입력(212), 시준 렌즈(210), 회전 미러(207)(이미징 렌즈(208), 제 2 빔 경로에 있을 수 있고 없을 수 있으며 제 2 또는 별도 이미징 렌즈가 있을 수 있음), 그리고 나서 창(209)을 통해 분말 층 상의 위치가 있다.
적층 제작 시스템의 실시예에서, 제 1 레이저 빔 경로는 물체를 빌드하기 위해 분말을 융합하는 레이저 빔이기 때문에, 빌드 레이저 빔 및 빌드 레이저 빔 경로이다. 빌드 레이저 빔은 청색 파장 범위, 바람직하게 440 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm의 파장을 가질 수 있고, 녹색 파장 범위는 예를 들어, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm일 수 있다. 빌드 레이저 빔은 본 명세서에 기재된 전력, 전력 밀도, 피크 전력 및 반복률 중 하나를 가질 수 있다. 제 2 레이저 빔 경로와 그 경로를 따라 이동하는 제 2 레이저 빔은 예열 레이저 빔이다. 이는 동일한 파장일 필요는 없으며 440 nm 내지 1,100 미크론 중 어느 것일 수 있거나, 빌드 레이저와 동일한 파장일 수 있으며, 분말 층에서 더 낮거나 유사하거나 더 높은 출력 밀도를 가지고 분말 층을 예열할 뿐만 아니라, 분말 층의 온도를 유지함으로써 분말을 융합하여 물체를 빌드하는 빌드 레이저의 능력을 촉진시킨다.
프린터 헤드(230)의 실시예에서, 제 2 레이저 입력(212)은 분말 층을 예열하기 위한 레이저 소스에 연결된다. 이러한 방식으로, 제 2 레이저 빔 경로 및 그 관련 광학 장치는 예열 시스템을 위한 것이다. 따라서, 이러한 실시예에서, 커넥터(201)로부터 창(209)를 통해 이미지(210)로의 제 1 빔 경로 및 구성요소는 전술한 바와 같이, 분말 층 재료를 함께 융합하기 위한 레이저 빔, 즉 빌드 레이저 빔, 또는 융합 레이저 빔을 제공하며; 제 2 빔 경로는 예열 레이저 빔을 제공하기 위한 것이다.
본 시스템 및 방법의 실시예는 임의의 레이저 파장을 사용할 수 있지만, 바람직한 실시예는 융합될 분말 층에 2-D 에너지 패턴을 정의하는 수단으로서 레이저 어레이와 조합된 공간 광 변조기의 어레이를 사용하여 병렬 방식으로 부품의 층을 인쇄하고 융합하기 위해서 한 쌍의 청색 레이저를 사용하는 것이다. 에너지 패턴은 부품의 별도 부분 또는 별도 부품이 병렬로 처리될 때 연속적이거나 별도일 수 있다. 다중 에너지 패턴화 시스템을 함께 조합하면, 더 높은 총 전력이 분말 층의 표면에 전달될 수 있으며 결과적으로 더 큰 부품이 단일 펄스로 인쇄될 수 있어 기계의 빌드 속도가 크게 개선되게 된다. DMD의 전력 처리 기능에 대한 제한 때문에 다중 DMD가 사용된다. 기존 DMD 시스템은 백플레인 온도(backplane temperature) 및 냉각 방법에 따라 25 W/cm2에서 최대 75 W/cm2의 청색 레이저 광을 연속 기반으로 처리할 수 있다. 제조될 부품이 클수록, 표면 전체에서 2-D 패턴을 완전히 용융시키는데 필요한 총 전력량은 더 많아진다. 실시예에서 DMD가 전달되는 전력에 대한 제한 요소가 될 수 있기 때문에, 원하는 높은 빌드 속도를 달성하는데 필요한 구역 스케일링을 제공하기 위해 다중 DMD가 병렬로 사용될 수 있다. 또한, 이러한 프린트 엔진은 2-D 이미지를 함께 스티칭하여 부품의 단일 층인 더 큰 2-D 이미지를 형성할 수 있는 정밀 갠트리 시스템에 장착될 수 있다. 시스템의 실시예는 갠트리 시스템의 일부로서 또는 갠트리와 분리된 분말 확산기, 및 빌드 체적의 일부로서 엘리베이터를 포함할 수 있다. 빌드 체적은 감소된 산소를 가져야 하며 바람직하게 산소가 없으며, 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 가스, 또는 아르곤-CO2와 같은 융합 공정을 촉진하기 위한 가스 혼합물로 충전될 수 있다. 에너지 패턴 구역은 2차 레이저 소스로 예열되거나 전기 히터 및 복사 히터로 직접 가열되어 제작 공정 중 부품으로부터 열 손실을 감소시킬 수 있다. 2차 레이저 또는 2차 열원은 분말 층의 기본 온도를 상승시키고 레이저/공간 변조기 시스템, 즉 적층 제작 시스템의 융합 또는 빌드 레이저 빔 또는 서브-시스템에 의해 분말을 용융시키기 위한 에너지 요구사항을 감소시킨다. 실시예에서, 전도 모드 용접 공정은 모든 적층 제작 스캔 레이저 시스템에 대한 기준 공정인 키홀 공정에서 일반적으로 발생하는 스패터를 제거하는 각각의 층을 함께 융합하는 바람직한 방법이다.
2-D 에너지 패턴화 시스템(3-D 빌드용)
이러한 시스템에 대한 바람직한 실시예는 TI의 DMD(Digital Micro-Mirror Device)이다. 이러한 어레이는 투과 광을 끄거나 켜라는 명령을 받으면 기울어지는 마이크로-미러로 구성된다. 그레이 스케일은 표면에 전달될 에너지의 양을 설정하는 공정 동안 미러의 위치 또는 레이저의 전력 설정을 고속으로 변조하거나 이미지 전체에 걸쳐 미러를 꺼진 상태로 무작위로 전환하여 이미지의 평균 전력 밀도를 감소시킴으로써 수행된다. 바람직한 DMD 어레이는 레이저 빔의 파장과 함께 사용하는데 최적화된 것, 예를 들어 청색 파장 범위, 바람직하게 400 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm에 최적화된 것, 예를 들어 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm일 수 있는 녹색 파장 범위에 최적화된 것, 및 600 nm 내지 700 nm의 적색 파장 범위에 최적화된 것일 수 있다. 가시 파장의 빛에 대한 전형적인 DMD는 450 nm에서 88%의 반사율과 64%를 초과하는 회절 효율을 가진다. 이러한 높은 투과율은 이들 장치가 냉각 방법에 따라 25 W/cm2 이상의 평균 전력 밀도를 처리하고 청색, 녹색 및 적색 파장(가시 광선)의 빌드 레이저 빔을 처리할 수 있다. 마이크로-채널 냉각기를 갖춘 DMD에서 수행된 테스트는 최대 75 W/cm2의 전력 밀도에서 장치를 작동하는 것이 안전하다는 것을 보여주었다. DMD는 약 25 W/cm2 내지 160 W/cm2, 약 50 W/cm2 내지 100 W/cm2 및 약 25 W/cm2 내지 75 W/cm2뿐만 아니라, 더 크고 더 작은 값의 작동 전력 밀도, 예를 들어 평균 전력 밀도 등급을 가질 수 있다. 평균 전력 밀도 등급은 이러한 장치의 연속적인 열 부하 등급이다. 높은 반사율 때문에, 낮은 반복률의 짧은 펄스는 장치의 연속적인 전력 정격보다 상당히 높은 전력 밀도를 가질 수 있다. 도 3을 참조하면, 도 3에는 이러한 평균 전력 밀도를 유지하기 위해 주어진 반복률에 대한 최대 펄스 폭의 계산을 제공하는 차트가 도시된다. 계산은 150 W(와트) 내지 6 kW(킬로와트) 범위의 레이저 출력 레벨에 대해 수행된다. 6 kW에서 DMD 장치의 순간 전력 밀도 또는 피크 전력은 DLP9500 장치의 경우에 2.5 kW/cm2이며, 이는 장치의 평균 전력 밀도 등급보다 1,000 배 더 크다. 이러한 레벨의 전력 처리량은 레이저 펄스 폭이 짧고 듀티 사이클(duty cycle)이 낮아 장치의 평균 전력이 최대 정격을 초과하지 않기 때문에 달성될 수 있다. 광학 코팅(이러한 경우, 강화 알루미늄)은 흡수된 에너지가 코팅 또는 미러의 손상된 임계 값을 초과하지 않는 한, 매우 높은 피크 전력 레벨을 유지할 수 있다. 펄스 모드에서, 알루미늄 광학 코팅의 손상 레벨은 전형적으로 짧은 펄스의 경우 10 내지 50 MW/cm2이며, 현재 시스템에서 이러한 적용은 이러한 손상 한계보다 훨씬 낮다. 또한, 미러의 열 질량은 입사 에너지의 12%를 흡수하고 주어진 전력 밀도에 대한 최대 노출 시간을 결정하여 미러의 온도를 권장 작동 범위 내로 유지한다. 결과적으로, 본 DMD 시스템 및 방법은 DMD를 손상시키지 않고 금속 분말을 직접 융합할 수 있는 분말 층에 피크 강도를 전달할 수 있다.
따라서, 본 시스템의 실시예에서, 적층 제작 시스템 및 방법의 DMD 장치는 레이저 빔을 받거나 반사하고 지향시켜 DMD의 평균 정격 전력 밀도보다 2x, 10x, 100x, 1,500x, 100x 내지 1,000x 이상인 분말 층에 레이저 빔이 피크 전력 밀도(kW/cm2)를 갖는 분말 층에 이미지를 형성한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 인쇄된 패턴의 사진이 도시된다. 도 4a에는 직접적으로 융합된 금속 분말이 도시되며, 이 경우에 이는 100 ㎛ 두께의 구리 분말 층이며 "N"의 이미지는 레이저/공간 변조기 시스템에 의해 직접적으로 인쇄된다. 구리 분말의 융점은 1085 ℃이다. 도 4b는 레이저/공간 변조기 시스템에 의해 직접적으로 인쇄된 제 2 문자 "U"를 도시한다. 분말은 손으로 미리 배치되고 100 ℃로 가열되어 가공 전에 불순물을 제거했다. 인쇄 공정은 문자 N의 이미지를 DMD로 다운로드하는 것으로 시작된다. 청색 레이저 시스템은 25 W/cm2 권장 작동 지점을 유지하고 3.7 kW/cm2의 전력 밀도에 대응하는 분말 층 표면에 85 W의 피크 전력을 제공하는 듀티 사이클에서 4 밀리초 동안 펄스를 켠다. 이러한 테스트에 대해 저전력 레이저가 사용되었으므로, DMD의 이미지는 이동하는 갠트리 시스템의 이미지가 분말을 가열하고 이를 이미지로 융합하는데 충분한 에너지가 축적될 때까지 고정된 방식으로 스크롤되었다. 그런 다음 이미지가 다음 문자로 변경되고 공정이 반복된다. 분말 층은 20 ℃였으므로, 분말을 가열하고 용융시키는데 필요한 모든 에너지는 레이저/공간 광 변조기 시스템에서 나온다. 문자의 높이는 약 500 ㎛이고, 폭은 500 ㎛이다. 더 높은 레이저 출력과 가열 층를 사용하면, 단일 펄스로 분말을 용융시킬 수 있다.
실시예에서, 6k W 청색 레이저 소스(빌드 레이저 빔)는 6.5 밀리초의 펄스 폭과 3 Hz의 반복률로 작동되며, 이는 구리 분말을 사용할 때, 75 cc/hr을 초과하는 빌드 속도에 대응한다. 균질화기는 DMD 전체에 레이저 에너지를 고르게 분배하는데 사용된다. DMD의 전력 밀도는 2.5 kW/cm2이며, 이는 폭 2cm X 높이 1.1cm이다. DMD는 10.8 ㎛ 피치에서 1,920 미러 X 1,080 미러의 해상도를 가진다. 이러한 파장에서 DMD 미러의 반사율은 약 88%이며, 장치 창의 투과율은 97%이며, DMD의 회절 효율은 이러한 파장에서 ~ 62%이며 이미징 옵틱의 투과율은 99%로 가정한다. 2:1 이미징 옵틱을 사용하여, 10 mm x 5.5 mm 이미지가 분말 층으로 전달되고 추정 손실은 도 4a 및 도 4b의 테스트에 사용된 세기보다 1.6 배 높고, 축적된 총 에너지가 60 배 더 큰 레이저/공간 광 변조기 조합으로부터 분말 층에 ~ 6 kW/cm2의 전력 밀도를 초래한다. "시스템" 이미지 해상도는 약 5.04 ㎛로, 임의의 다른 레이저 소결 방식보다 시스템의 높은 해상도를 제공한다. 공개된 DMD 칩의 평균 전력 밀도가 25 W/cm2로 제한되기 때문에, 6 kW 레이저 소스에 대해 6.5 밀리초의 펄스 폭이 선택되었으며, 이는 분말 층에 증착되는 에너지의 약 21 J에 대응한다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 실험에서, 조명된 영역이 단지 0.5 mm x 0.5 mm이기 때문에, 상당히 낮은 에너지 축적(0.34 J)이 필요했다. 층 온도가 600 ℃라고 가정하면, 10 mm x 5.5 mm x 0.1 mm 체적의 구리 분말을 25% 공극 함량으로 용융시키는데 14 J의 에너지가 필요한 것으로 추정된다. 이러한 분석은 에너지 요구사항을 더 높일 수 있는 기판의 임의의 가열을 고려하지 않는다. 가장 높은 에너지 요구사항은 부품의 제 1 층을 인쇄할 때 발생하며, 여기서 기판으로의 열 에너지 확산은 분말을 용융시키고 융합하기 위해 에너지 요구사항을 3 배까지 증가시킬 수 있다. 2 차 가열 레이저는 이러한 단계에서 필요한 추가 에너지를 전달하기 위해 이미징 시스템을 보완하는데 사용될 수 있다. 빌드가 진행됨에 따라서, 열 확산은 이제 이전 층의 질량의 요소이며, 부품이 얇을수록, 전력 요구사항이 낮을수록, 이전 층의 치수가 클수록, 전력 요구사항이 커질수록, 제 1 층을 빌드 판에 접합하는 동안 발생하는 전력 요구사항이 가장 커진다.
시스템 또는 방법의 해상도란 시스템에 의해 빌드된 물체가 명시된 해상도와 동일한 가장 작은 부품 또는 가장 작은 치수를 가질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 해상도는 빌드될 수 있는 물체의 가장 작은 치수를 정의한다. 따라서 레이저 시스템의 해상도, 방법의 해상도란 시스템 및 방법이 부품을 빌드할 수 있는 능력을 갖거나 그 해상도에 있는 해당 부품에 피처를 가짐을 의미한다. 따라서 예로서, 75 ㎛ 해상도는 75 ㎛에서 가장 작은 치수를 가진 부품을 빌드하거나 75 ㎛에서 가장 작은 피처를 갖는 부품을 빌드하거나, 이들 모두를 빌드할 수 있는 능력을 제공한다. 청색 레이저 3차원 적층 제작 시스템, 예를 들어 3차원 청색 레이저 프린터의 실시예 및 청색 레이저 3차원 적층 제작 방법의 실시예는 약 0.5 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 이상, 약 0.5 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 0.5 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 100 ㎛ 미만, 약 75 ㎛ 미만, 약 50 ㎛ 미만, 약 25 ㎛ 미만, 약 10 ㎛ 미만, 및 약 5 ㎛ 미만의 해상도를 가진다. 상기 시스템은 예를 들어, 200 ㎛ 이상의 높은 해상도, 및 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 및 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 매우 미세한 해상도 모두를 가질 수 있다. 또한, 명세서의 실시예 및 예를 포함하는 본 시스템 및 방법의 실시예뿐만 아니라 청색, 440 nm, 약 440 nm, 460 nm, 녹색, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm, 약 550 nm의 파장을 갖는 이들 실시예는 약 10 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛, 10 ㎛ 미만, 5 ㎛ 미만, 2 ㎛ 미만, 약 3 ㎛ 내지 약 0.9 ㎛, 약 1 ㎛ 및 더 작은 값뿐만 아니라 본 단락의 다른 값의 해상도를 가진다.
도 5는 IR 레이저에 비해 청색 레이저 광이 구리 분말 층에서 얼마나 빠르게 흡수되는 지를 비교한 것이다. 청색 레이저 광의 높은 흡수율은 이러한 공정이 원하는 해상도, 빌드 속도 및 둘 모두를 얻도록 하는 요소인데, 이는 IR 레이저가 융합될 패턴 외부의 분말 층으로 산란되고 훨씬 더 높은 출력 레벨 레이저가 필요할 수 있고 해상도가 높은 산란 계수에 의해 IR에서 제한되기 때문이다. 따라서 빛의 100%가 흡수된다는 가정이 사용될 수 있다. 분말 층의 밀도가 75%이면, 구리의 융점인 600 ℃로부터 1085 ℃까지 분말 층을 가열하는데 필요한 에너지는 열용량 방정식에 따라 계산될 수 있다. 상 변환이 수반되기 때문에, 융합 열은 에너지 요구사항 계산에 포함된다. 두 성분의 합을 기준으로, 10 mm x 5.5 mm x 100 m 부피의 구리를 용융시키는데 필요한 에너지는 약 14 J이다. 이러한 계산을 기반으로, 오늘날 이용 가능한 전형적인 DMD 어레이는 바람직하게, 금속 용융에 필요한 에너지를 보상하기 위해 분말의 기본 온도가 조정되거나 이미지 구역을 예열하는데 2차 레이저가 사용되는 경우에, 금속 기반 적층 제작 시스템에 사용하는데 적합하다.
DMD를 통해 구리 분말 층을 가열하기 위해 500 와트 청색 레이저 소스를 사용하는 실시예는 1.5 Hz 반복률로 펄스될 때 최대 78 msec의 펄스 폭을 제공할 수 있다. 이들 조건하에서, 500 와트 청색 레이저 소스는 400 ℃ 배경 층 온도로터 구리를 용융시키는데 충분한 에너지인 39 J을 구리 분말 층에 전달한다.
몇몇 실시예에서, 레이저/공간 광 변조기 조합이 50 ㎛ 두께의 분말 층을 용융시키는데 충분한 에너지를 제공할 수 있지만, 층을 아래에 융합하는데 충분한 에너지가 아닐 수 있다. 전도 모드 용접이 구형 방식으로 재료 층을 통과하기 때문에, 용접은 깊이만큼 넓다. 예를 들어, 깊이가 50μm인 용접 비드는 폭이 적어도 50μm이다. 분말 층이 그 아래 층에 융합되게 하기 위해서, 최소 피처 크기가 분말 층 깊이의 적어도 1.5 내지 2 배이어야 한다. 이는 75 내지 100 μm 폭의 비드가 분말 층을 하부 층에 융합하는데 사용된다는 것을 의미한다. 하부 고체 층에 융합하는데 필요한 에너지를 고려하면 400 ℃에서 구리의 융점으로 이동할 때 분말을 용융시키고 융합하는데 필요한 에너지가 36 J에서 86 J로 증가한다. 실시예에서, 이는 레이저/공간 필터 조합만으로는 달성될 수 없으므로, 층 온도가 상승하거나 별도의 열원이 추가된다. 바람직하게, 공간 광 변조기 없이 제 2 레이저를 추가함으로써, 분말을 용융시키지 않고 분말의 온도를 상승시키기 위해 추가 열이 추가된다. 따라서 이러한 제 2 레이저는 분말을 예열하고 분말 층 및 빌드 물체의 온도를 주변 온도 이상으로 유지할 수 있다. 예를 들어 분말은 100 ℃ 초과, 200 ℃ 초과, 300 ℃ 초과, 400 ℃ 초과, 약 300 ℃ 내지 약 600 ℃, 분말의 융점의 300 ℃ 이내, 분말 융점의 200 ℃ 이내, 분말의 융점 100 ℃ 이내, 분말의 용융 온도 바로 아래까지 그리고 높고 낮은 온도로 예열되고 유지될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 공간 광 변조기, 레이저/공간 광 변조기, DMD 시스템, 레이저/공간 및 유사한 그러한 용어는 분말 층뿐만 아니라 액정 및 기타 유형의 크리스탈 기반 공간 광 변조기에 빌드 레이저 빔을 위한 레이저 패턴 및 이미지를 생성하기 위해서 마이크로-미러, 마이크로-반사 조립체 또는 마이크로 레벨 또는 서브-마이크로 레벨 해상도를 갖는 유사한 반사 부품을 사용하는 동일한 일반 유형의 시스템 또는 서브시스템을 지칭한다.
제 2 레이저(예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, 도 2의 제 2 빔 경로)는레이저 공간 광 변조기가 도 6에 도시된 바와 같이 수행하는 것과 동일한 구역을 조명한다. 도 6에는 금속 분말 층(600)이 있다. 예열 레이저 빔은 층(600)의 구역(605)을 가열하는 예열 레이저 패턴(601)을 형성한다. 또한, 금속 분말 층(600) 상의 빌드 레이저 패턴(602 및 603)이 도시된다. 따라서, 구역(605)의 재료는 제 2 레이저 빔, 예를 들어 예열 레이저 빔에 의해 가열되며 레이저 패턴(602 및 603)의 가열된 재료는 물체에 융합된다. 위에서 논의된 경우에, 분말을 용융시키고 융합하기 위해서 86 J의 가열이 필요하다. 500 와트 레이저/공간 필터 조합이 패턴에 39 J을 제공하면, 제 2 레이저는 나머지 또는 47 J을 제공한다. 이동, 코팅 및 기타 기능 수행에 소요되는 시간을 수용하기 위해서, 예열 레이저의 펄스 폭은 듀티 사이클의 10% 또는 66 msec일 수 있다. 이는 750 W의 예열 레이저 출력에 대응한다. 제 2 레이저가 분말 층 영역을 융점의 200 ℃ 이내로 가열한다고 가정하면, 레이저/공간 광 변조기가 부품을 비출 때 분말 층과 하부 층의 패턴 영역의 온도를 구리의 융점까지 상승시킨다. 도 7은 시스템의 타이밍을 예시한다. 이러한 순서는 50 ㎛ 분말 층이 그 아래의 완전 조밀한 층으로 용융되고 완전 융합되는 결과를 초래한다.
실시예에서, 레이저-공간 광 변조기 쌍은 1.5 Hz의 반복률에서 작동하는 6,000 와트 청색 레이저에 기초한다. 예열 레이저는 750 W 레이저이다. 예열 레이저는 위에서 언급한 것과 동일한 시간(66 msec) 동안 작동하여 분말 층 온도를 용융될 재료(예를 들어, 분말 층의 분말)의 용융 온도의 200 ℃ 이내로 증가시킨다. 고온계 또는 FLIR 카메라는 이러한 예열 공정 동안 분말 층의 온도를 모니터링하는데 사용되며 레이저-공간 광 변조기 이미지가 분말 층 영역을 비추고 분말을 하부 층에 융합시킬 때까지 해당 온도를 유지하도록 레이저 출력을 제어한다. 6,000 W 레이저는 6.5 msec 동안 켜져 있는 반면에, 750 W 레이저는 66 msec 이상 동안 켜져 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 챔버 온도는 실온 또는 실온 근처인 것으로 가정된다.
실시예에서, 레이저-공간 광 변조기 쌍은 1.5 Hz의 최대 반복률에서 작동하는 500 와트 청색 레이저에 기초한다. 예열은 1,000W 레이저이다. 예열 레이저는 위의 경우에서와 같이 동일한 시간(약 78 msec) 동안 작동한다. 그러나 더 높은 출력 레벨의 예열 레이저는 이제 25 msec 동안만 작동하여, 패턴을 재배치하기 위한 추가 시간을 제공한다. 이러한 실시예에서, 챔버는 실온 또는 실온 근처에 있는 것으로 가정된다.
설명된 레이저 프린팅 엔진은 도 1의 실시예와 같은 정밀 갠트리 시스템의 기밀식 인클로저(air-tight enclosure)에 장착된다. 불활성 가스로 충전된 경우에 기밀식 인클로저는 공정이 진행됨에 따라 용접 연기를 제거하기 위해 지속적으로 순환된다. 불활성 가스 환경은 빌드 중에 부품에 다공성을 유발할 수 있는 표면 산화가 발생하지 않도록 보장한다. 갠트리 시스템은 헤드를 x-y 방향으로 배치할 수 있고 엘리베이터는 각각의 새로운 층이 인쇄될 때마다 부품을 아래로 이동시키는데 사용된다. 원칙적으로, 2-D 에너지 패턴의 단계별 반복에 대한 이러한 접근방식은 임의의 큰 부피, 예를 들어 0.5 m3, 1 m3, 2 m3, 3 m3, 10 m3, 1 m3 내지 10 m3, 및 사용된 갠트리 시스템의 정확성에 제약이 있는 더 크고 작은 부피에 적용될 수 있다.
빌드는 전형적으로 단계 파일인 컴퓨터 보조 설계 파일(Computer Assisted Design file)로 시작한다. 소프트웨어는 먼저, 물체를 해상도와 형상에 따라서 50μm 미만 또는 그 초과의 조각으로 나눈다. 슬라이싱(slicing) 이후 드러난 표면은 공간 광 변조기와 동일한 이미지 크기인 섹션으로 나누어진다. 그런 다음 빌드 전략은 패턴의 어느 부분을 먼저 노출할지, 노출 레벨은 무엇이며 어떤 지원 구조를 사용해야 하는 지가 소프트웨어에 의해 결정된다. 또한 소프트웨어는 예열 레이저뿐만 아니라 레이저-공간 변조기 시스템에 대한 최적의 온-타임(optimum on-time)을 결정한다. 예열 시간은 기본 재료의 밀도, 기본 재료의 용융 온도, 융합될 층 아래 층의 재료 양, 및 융합될 층 아래 층의 재료 밀도에 따라 달라질 수 있다. 부품의 크기, 부품 복잡성 및 부품의 방위에 따라서, 복사 히터를 사용하여 빌드 챔버의 층, 벽 또는 천장을 최적의 온도로 유지함으로써 빌드 환경에 대한 잘못된 비율의 열 손실을 방지할 수 있다. 이러한 처리 순서는 도 8에 개략적으로 도시된다.
다음 실시예는 본 발명의 본 레이저 시스템 및 구성요소의 다양한 실시예를 예시하는데 제공된다. 이들 예는 예시를 위한 것이며, 예지적일 수 있으며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안되며, 본 발명의 범주를 달리 제한하지 않는다.
예 1
적층 제작 시스템의 실시예는 일반적으로 도 1에 도시된다. 시스템(100)은 진동 격리 플랫폼에 장착된 x-y 갠트리 시스템(101)으로 구성된다. 갠트리 시스템(102)의 x-축은 한 쌍의 에어 베어링과 1 미크론 이하의 절대 위치에 위치할 수 있는 선형 모터로 구성된다. 갠트리 시스템의 x 축을 위한 모터는 또한, 분말을 확산시키기 위해 양방향 방식으로 분말 확산기(105)를 이동시킬 수 있다. 분말은 분말로 충전된 제 2 엘리베이터 섹션 또는 분말을 분말 층에 떨어뜨리는 분말 호퍼(hopper)에 의해 전달될 수 있다. 분말 호퍼는 이러한 도면에 도시되지 않지만 갠트리 시스템의 전방과 후방에 장착된다. 전체 시스템은 이러한 도면에 또한 도시되지 않은 기밀식 인클로저에 포함될 것이다. DMD 레이저 프린트 헤드(103)는 갠트리 시스템의 y-축에 장착되고 층을 가로지르고 축을 따라 마이크론 크기의 임의의 위치 내에 반복적으로 위치될 수 있다. 분말 층(104)은 각각의 공정 단계 후에 층을 최소 10 ㎛로 낮출 수 있는 고정밀 엘리베이터에 있다. 이는 분말 확산기(105)가 이전에 융합된 이미지 위에 분말의 균일한 층을 배치하게 한다. 운동의 반대 방향으로 회전하는 롤러(106)는 분말 층을 매끄럽게 압축하는데 사용된다. 분말 층은 빌드 사이클에서 고온을 사용할 수 있도록 내장 히터를 가진다. 층류 에어 나이프는 DMD 레이저 프린트 헤드(109) 바로 아래에 배치되어 파편이나 연기가 DMD 이미지 및 2 차 예열 레이저가 나오는 창에 도달하는 것을 방지한다. DMD 이미지(107)는 슬라이싱 소프트웨어에 따라 분말 층에 위치되며, 이미지가 이미지의 폭을 넘어서 부품의 인접한 부분을 완성함에 따라 패턴이 변경된다. 부품 내의 열 축적 관리와 부품 내의 휨 및 응력을 최소화하려는 욕구에 따라서 이미지가 더 멀리 떨어질 수도 있다.
예 2
DMD 프린트 헤드의 실시예가 도 2에 일반적으로 도시된다. 변조될 주 레이저 전력은 산업 표준 QBH 섬유 케이블(201)을 통해 프린트 헤드(200)로 전달된다. 예열에 사용될 제 2 레이저는 또한, 산업 표준 QBH 섬유 케이블(212)을 통해 전달된다. 이들 케이블은 견고하게 설계되었으며 작동 중에 외부 환경에 대한 시일을 제공한다. 케이블은 보호 피복 내부에 400 μm 또는 더 작은 직경의 섬유를 모두 포함한다. 한 쌍의 40 mm 시준 렌즈(205, 210)는 각각의 광섬유의 출력을 시준하는데 사용된다. 광섬유로부터의 빔의 형상과 균일성에 따라서, 균질화기와 빔 성형 광학 장치가 시준 광학 장치 바로 뒤에 삽입될 수 있다. 1차 레이저 소스(빌드 레이저)와 2차 레이저 소스(예열 레이저) 모두는 균질화기를 사용하여 융합된 인쇄가 균일할 정도로 균일한 강도를 제공할 수 있다. 회전 미러(206)는 주 레이저의 광섬유(201)로부터 시준된 빔을 DMD의 표면 법선으로부터 24도의 필요한 각도로 DMD로 지향시키는데 사용된다. 레이저가 켜진 상태에 있을 때, DMD(202) 미러는 들어오는 빔을 향해 기울어져 빔이 DMD 표면에 수직으로 재지향된다. 레이저가 꺼진 상태에 있을 때, DMD(202) 미러는 들어오는 빔에서 멀어지고 들어오는 빔을 DMD 표면에 수직인 벡터로부터 들어오는 빔에서 48도 멀어지게 재지향된다. 여기는 이미지에서 꺼진 상태가 될 임의의 빔 에너지를 차단해야 하기 때문에 빔 덤프(204)가 위치되는 곳이다. DMD(202)로부터의 빔은 이제, 100 mm FL 렌즈를 사용하여 레이저 프린팅 헤드 아래 200 mm 지점까지 재-이미지화된다. 이는 1:1 이미징 배열이며 필요한 부품의 크기와 정확도에 따라서 다른 비율이 사용될 수 있다. 2차 레이저의 광섬유 출력(212)은 렌즈(205)에 의해 시준되고 원하는 융합 균일성을 달성하기 위해 빔 균질화기를 통과할 수 있다. 2차 빔의 빔 컨디셔닝 후, 미러(207)를 사용하여 DMD 이미지와 동일한 지점으로 지향되거나 재-이미지화된다. 이러한 시스템은 DMD 빔과 동일한 이미징 렌즈를 통과하지 않는다. 그러나, 두 개의 빔, 즉 DMD 빔과 2차 빔 모두는 공통 창(209)을 통해 프린트 헤드를 빠져나간다. 그러나, 시스템의 기하학적 구조에 따라서 예열 레이저가 빠져나가도록 제 2 창이 사용될 수 있다. 최종 결과는 도 6에 도시된 바와 같이 분말 층 상의 2차 레이저 빔과 중첩된 DMD 이미지(210)이다.
예 3
본 발명의 실시예는 동일한 이미징 구멍 또는 평행 이미징 구멍 내에서 다중 DMD를 사용하는 것에 관한 것이다. 도 9를 참조하면, 도 9에는 다중 DMD 레이저 프린팅 시스템(200)의 개략도가 도시된다. 시스템은 2 개의 레이저 빌드 서브시스템(941, 942)을 가진다. 서브시스템(941)은 레이저 빔 경로(913)를 따라 위치되는, 레이저 소스(901), 시준기/균질화기(903), DMD(905), 미러(905a), 렌즈(907)와 렌즈(909)를 갖는 2:1 이미지 크기 축소 광학 조립체, 미러(911) 및 이미징 렌즈(920)를 가진다. 이러한 방식으로 분말을 융합하기 위한 레이저 빔, 예를 들어, 빌드 레이저 빔은 이들 다양한 구성요소를 통해 레이저 빔 경로(913)를 따라 이동하고 이미지 타일(950a)로서 이미지를 제공한다. 이미지 타일(950a, 950b, 950c, 950d)은 많은 수의 타일을 가질 수 있는 타일 이미지를 형성함을 알 수 있다. 서브시스템(942)은 레이저 빔 경로(914)를 따라 위치되는, 레이저 소스(902), 시준기/균질화기(904), DMD(906), 미러(906a), 렌즈(908)와 렌즈(910)를 갖는 2:1 이미지 크기 축소 광학 조립체, 미러(912) 및 이미징 렌즈(920)를 가진다. 이러한 방식으로 분말을 융합하기 위한 레이저 빔, 예를 들어 빌드 레이저 빔은 이들 다양한 구성요소를 통해 레이저 빔 경로(914)를 따라 이동하고 이미지 타일(950b)로서 이미지를 제공한다.
시스템(941, 942)과 동일한 구성의 두 개의 추가 레이저 빌드 서브시스템이이러한 시스템에서 사용되지만 도면에는 도시되지 않는다. 이들 추가의 2 개의 시스템은 이미지 타일(950c, 950d)에 대한 이미지를 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서 타일 이미지는 바람직하게 인접해 있다.
시스템(941, 942)과 동일한 구성의 4 개의 레이저 빌드 서브시스템이 이러한 시스템에서 사용되지만 도면에는 도시되지 않는다. 이들 4 개의 추가 시스템은 950a, 950b, 950c 및 950d에 인접한 이미지 타일에 대한 이미지를 종이에 제공하여 2 차원 타일 이미지를 생성한다.
이러한 시스템은 반전 또는 비-반전 이미지를 제공하는 렌즈 구성을 가질 수 있다.
각각의 DMD는 자체 레이저 소스를 가지며, 각각의 DMD의 이미지 공간은 단일 DMD 시스템이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 영역에 걸쳐 연속적인 이미지 공간을 생성하기 위해 전단 미러를 사용하여 타일링될 수 있다. 각각의 DMD 이미지 공간 사이에는 약간의 사 공간(dead space)이 있을 수 있으며, 이는 전단 미러의 적절한 위치 설정으로 최소화될 수 있다. 각각의 전단 미러의 기울기와 위치를 조정하여 이미지 공간을 효과적으로 접합할 수도 있다. 도 9는 분말 층 표면에 더 큰 합성 이미지를 만들기 위해 하나의 축에서 함께 2 개의 DMD 이미지 공간의 타일링을 도시한다. 축소 광학으로 각각의 DMD 이미지를 압축하고 축소된 각각의 이미지를 함께 전단한 다음 단일 렌즈를 사용하여 이미지를 원하는 크기로 다시 이미지화하거나 확대하여 N x M DMD 이미지 공간으로 확장할 수 있다.
예 4
본 발명의 실시예는 병렬 빌드 능력을 생성하기 위해 상이한 이미징 구멍 내에서 다중 DMD를 사용하는 것에 관한 것이다. 도 10을 참조하면, 분말 층에 별도의 이미지를 생성하기 위해 2 개의 병렬 빌드 레이저 빔을 제공하기 위한 제 1 DMD 서브시스템(1040) 및 제 2 DMD 서브시스템(1041)을 갖는 다중-DMD 시스템(1000)이 도시된다. 서브시스템(1040)은 레이저 빔 경로(1013)를 따라 위치되는 DMD(1005)를 가진다. 서브시스템(1040)은 이미지(1050a)를 제공한다. 서브시스템(1041)은 레이저 빔 경로(1014)를 따라 위치되는 DMD(1006)를 가진다. 서브시스템(1041)은 이미지(1050b)를 제공한다.
각각의 DMD는 자체 레이저 소스를 가지며, 각각의 DMD의 이미지 공간은 분말 층의 표면에 타일링되어 이미지 및 비-이미지 영역의 체크보드 패턴을 생성한다. 빌드 전략은 각각의 단일 DMD 이미지 공간을 사용하여 개별 부품을 빌드하는 것이다. 또는 각각의 개별 DMD 이미지 공간을 사용하여 다중 섹션을 병렬로 빌드하여 더 큰 부품을 빌드한다.
종이 속으로 또는 도시된 시스템에 인접하게 연장하는 제 2, 제 3 또는 제 4 세트의 시스템이 추가되어 분말 층 상의 주소지정 가능한 이미지 영역을 확장할 수있다.
이러한 시스템은 반전 또는 비-반전 이미지(non-inverting image)를 제공하는 렌즈 구성을 가질 수 있다.
예 5
본 발명의 실시예는 가시 레이저 빔, 특히 350 nm 내지 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 적층 레이저 제작 공정 및 적층 레이저 제작 시스템에서 사용하여, 원료 재료, 예컨대 출발 분말, 나노 입자, 입자, 펠릿, 층, 분말 층, 스프레이 분말, 액체, 현탁액, 에멀젼 및 이들의 조합 및 변형과 3D 프린팅 기술을 포함한 레이저 적층 제작 기술에서 알려진 또는 나중에 개발된 다른 출발 재료로부터 물품(예를 들어, 구조물, 장치, 구성요소, 부품, 필름, 체적 형상(volumetric shape) 등)을 빌드하는 것에 관한 것이다.
예 6
레이저 적층 공정에서 원료 재료로부터 물품을 빌드하기 위한 실시예에서, 출발 원료 재료에 대해 낮은 반사율, 높은 흡수율, 및 바람직하게는 둘 다를 갖는 파장이 사용된다. 특히, 실시예에서 레이저 빔 파장은 바람직하게, 약 10% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 그리고 10% 내지 85%, 10% 내지 50%, 및 약 40% 내지 약 50% 범위의 흡수율을 갖도록 출발 재료에 기초하여 미리 결정된다. 특히, 실시예에서 레이저 빔 파장은 바람직하게, 약 97% 이하, 약 60% 이하, 약 30% 이하, 및 70% 내지 20% 범위, 80% 내지 30% 범위 및 약 75% 내지 약 25% 범위의 반사율을 갖도록 출발 물질에 기초하여 미리 결정된다. 실시예에서, 이들 높은 흡수와 이들 낮은 반사율의 조합 실시예가 존재할 수 있다. 시스템 및 공정의 바람직한 실시예에서, 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔 또는 빔들이 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 이들 금속의 합금, 및 기타 금속, 비금속, 재료 및 합금과 이들의 조합 및 변형으로 구성된 출발 재료로부터 물품을 빌드하는데 사용된다.
예 7
실시예에서, 금, 구리, 황동, 니켈, 니켈 도금된 구리, 스테인리스 스틸 및 기타 재료, 금속, 비금속 및 합금으로부터 적층 제작 물품에 대한 예를 들어, 약 380 nm 내지 약 495 nm을 갖는 청색 레이저의 사용이 선호된다. 청색 레이저 빔은 실온에서 이들 재료에 의해 많이 흡수(예를 들어, 약 50% 이상의 흡수율)된다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 작동, 예를 들어 적층 제작 공정 동안 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 커플링시킬 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 미리 선택된 파장 레이저 빔의 능력이다. 물품으로 빌드되는 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 커플링함으로써, 전형적으로 적외선 레이저에서 발생할 수 있는 런어웨이 공정(runaway process)의 가능성이 크게 감소되고 바람직하게는 제거된다. 레이저 에너지의 더 양호한 커플링은 또한, 저출력 레이저를 사용할 수 있게 하여, 자본 비용을 절감하거나 다중 레이저 시스템을 비용 효율적으로 제공한다. 더 양호한 커플링은 또한, 더 양호한 제어, 더 높은 공차를 제공하여 빌드 제품에 대한 더 높은 재현성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 적층 제작 작업에서 발견할 수 없는 이들 특징은 다른 제품 중에서도, 전자 제품, 마이크로-기계 시스템, 의료 부품, 엔진 부품 및 전력 저장 분야에서 중요하다.
예 8
실시예에서 CW 모드에서 작동하는 청색 레이저가 사용된다. CW 작동은 많은 적층 제작 응용분야에서 짧은 펄스 레이저보다 선호될 수 있는데, 이는 레이저 출력을 신속하게 변조하고 피드백 루프에서 빌드 공정을 제어하는 능력으로 인해 최적의 기계적 및 기타 물리적 및 미적 특성, 예컨대 감소된 표면 거칠기, 개선된 다공성 및 개선된 전기적 특성을 갖는 높은 재현성 공정을 초래하기 때문이다.
예 9
바람직하게, 몇몇 실시예에서, 물품의 품질 및 적층 제작 공정 및 시스템의 효율성을 체크하기 위해서 제조되는 물품의 능동 모니터링이 사용된다. 예를 들어, 레이저가 인쇄되는 부품의 고해상도 영역을 처리할 때, 열 카메라를 사용하여 표면의 평균 온도를 모니터링할 수 있으며 피드백 루프를 사용하여 레이저 출력을 증감시켜 용접 퍼들을 개선하고 궁극적으로 부품의 표면 품질을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 레이저 빔의 초점을 흐리게 해 부품의 많은 저해상도 영역을 스윕(sweep)할 때, 피드백 루프(feedback loop)는 더 많은 레이저 출력을 통해 평균 온도를 최적의 처리 지점으로 유지하여 부품 인쇄 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
예 10
본 시스템에 사용될 수 있는 스캐너 및 광학 장치의 예는 고속 모터에 장착된 미러, 회전 다각형 미러 또는 고속 검류계를 포함한다. 고속 모터의 축에 장착된 미러는 미러가 360도 회전하면서 스캐닝 빔을 생성할 수 있다. 모터 속도가 빠를수록 스캔 속도가 빨라진다. 이러한 접근 방식의 유일한 문제는 미러의 뒷면이 레이저 빔 입구 구멍을 통과할 때 미러가 더 이상 빔을 반사하지 않으면 레이저를 꺼야 한다는 점이다. 고속 미러는 x 축 또는 y 축을 스캔하는데 사용할 수 있으며, 어느 축을 선택하든 다른 축을 스캔하는 미러는 초기 축에서 하나의 전체 스캔을 완료하는데 걸리는 시간에 비례하여 저속으로 스캔해야 한다. 제 1 축이 그의 스캔을 완료하는 동안 고정 상태를 유지하면서 미러를 개별 단계로 이동할 수 있도록 이러한 축에 고속 스테퍼 모터를 사용하는 것이 선호된다. 유사하게, 빔이 미러의 각각의 면을 가로질러 병진 운동함에 따라서 스캔이 시작 위치로 재설정되기 때문에 고속 스캔 속도를 허용하는 고속 스캔 기능을 수행하기 위해서 다면 미러 또는 다각형 미러가 사용될 수 있다. 이들 유형의 미러는 현재 슈퍼마켓 스캐너에서 제품이 지나갈 때 바코드를 스캔하는데 사용된다. 주 축은 또한, 공진 유형 모터인 고속 검류계 유형 미러로 스캔될 수 있으며 연속 주파수로 진동하여 빔의 고속 운동을 생성한다. 또한, 검류계 미러를 미리 결정된 위치에 정확하게 배치할 수 있으며, 검류계 구동 미러인 제 1 및 제 2 축을 기반으로 하는 시스템은 공정 층의 임의의 지점이 두 미러를 동시에 이동시킴으로써 신속하게 처리될 수 있는 벡터 모드로 유도될 수 있다. 또한, 빔이 자유 공간을 통해 갠트리 스타일 시스템에 장착된 미러로 전달되고 2 차원의 래스터(raster) 또는 벡터 모드로 초고속으로 이동되는 "비행 광학(flying optic)" 유형 설계에서 병진 운동 단계에 장착된 미러를 조합하는 것이 가능하다.
예 11
본 시스템의 실시예는 물체를 빌드하기 위해 스캐너를 포함하지도 필요로 하지도 않는다.
*예 12
예 1 내지 예 11의 시스템 및 방법에서 빌드 레이저 빔은 다음 파장: 청색 파장 범위, 400nm, 약 440nm, 450nm 및 약 450nm, 460 nm 및 약 460 nm; 녹색 파장 범위, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 그리고 적색 파장 범위, 600 nm 내지 700 nm 중 하나에서 선택된 파장을 가진다. 그리고, 빌드 레이저 빔은 이들 명세서 기재된 하나 이상의 빔 특성, 예를 들어 전력, 전력 밀도, 반복률 등을 가진다.
새롭고 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 본 발명의 실시예의 요지이거나 그와 관련된 다른 유익한 특징 및 특성의 기초가 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없다는 점에 유의한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해 본 명세서에 다양한 이론이 제공된다. 본 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구된 발명에 제공될 보호 범주를 어떤 식으로든 한정하거나 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론은 본 발명을 활용하기 위해 요구되거나 실행되지 않는다. 또한, 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 실시예의 기능-특징을 설명하기 위해 새롭고 지금까지 알려지지 않은 이론으로 이어질 수 있다는 것이 이해되며; 그리고 나중에 개발된 그러한 이론은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한하지 않는다.
본 명세서에서 표제의 사용은 명확성을 위한 것이며 어떤 식으로든 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 표제하에 설명된 공정 및 개시내용은 다양한 예를 포함한 본 명세서 전체와 관련하여 읽어야 한다. 본 명세서에서 표제의 사용은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한하지 않아야 한다.
본 명세서에 기재된 시스템, 장비, 기술, 방법, 활동 및 작동의 다양한 실시예는 본 명세서에 기재된 것들에 추가하여 다양한 다른 활동 및 다른 분야에서 사용될 수 있다. 다른 것들 중에서도, 본 발명의 실시예는 특허 출원 공개 번호 WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180, 및 2017/0341144 호의 방법, 장치 및 시스템과 함께 사용될 수 있으며, 이들 각각의 전체 개시는 본 명세서에 원용에 의해 포함된다. 추가로, 예를 들어 이들 실시예는 미래에 개발될 수 있는 다른 장비 또는 활동; 그리고 본 명세서의 교시에 따라 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예는 서로 상이하고 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다양한 실시예에 제공된 구성은 서로 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, A, A' 및 B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본 명세서의 교시에 따라서 다양한 조합, 예를 들어 A, C, D 그리고 A, A'', C 및 D 등으로 서로 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 제공하는 보호 범주는 특정 실시예, 특정 실시예에 기재되고 예, 또는 특정 도면의 실시예에서 기재된 구성 또는 배열로 제한되지 않아야 한다.
본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 본 명세서에 구체적으로 개시된 것 이외의 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 측면에서 제한적이지 않고 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (124)

  1. 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템으로서,
    분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템,
    모션 제어 시스템,
    각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터,
    분말을 펼쳐 융합하기 전에 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및
    기밀식 빌드 챔버를 포함하는,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 약 450 nm 청색 레이저인,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 300 내지 400 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 400 내지 500 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 800 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기에 의해 균질화되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간 공유되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 마이크로-미러의 어레이인 디지털 마이크로-미러 장치(DMD)인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 부류 중 어느 하나인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    DMD는 공냉식, 수냉식이거나 또는 펠티에 냉각기에 의한 냉각식 중 하나 이상인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    DMD는 마이크로-채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의해 수냉되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    DMD는 펠티에 냉각기(Peltier cooler)에 의해 냉각되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 가열식 빌드 판을 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 시스템 내의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서,
    시스템의 레이저-공간 변조기 조합은 수-kW 전력 밀도를 가지는 분말 층을 생성하고 이미지화하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  24. 레이저와 공간 광 변조기를 사용하여 분말 층을 예열하기 위한 제 2 레이저의 도움으로 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템으로서,
    분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템,
    모션 제어 시스템,
    각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터,
    분말을 펼쳐 융합하기 전에 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및
    기밀식 빌드 챔버를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 약 450 nm 청색 레이저인,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  26. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 300 내지 400 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  27. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 400 내지 500 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  28. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  29. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  30. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 800 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  31. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기에 의해 균질화되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  32. 제 24 항에 있어서,
    레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간 공유되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  33. 제 24 항에 있어서,
    2차 레이저는 450 nm 청색 레이저인,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  34. 제 24 항에 있어서,
    2차 레이저는 400 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  35. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 400 내지 500 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  36. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  37. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  38. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 800 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  39. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기에 의해 균질화되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  40. 제 23 항에 있어서,
    2차 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간 공유되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  41. 제 23 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 디지털 마이크로-미러 장치(DMD)인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  42. 제 23 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 부류 중 어느 하나인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  43. 제 41 항에 있어서,
    DMD는 공냉식, 수냉식, 및 펠티에 냉각기에 의한 냉각식 중 하나 이상인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  44. 제 41 항에 있어서,
    DMD는 마이크로-채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의해 수냉되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  45. 제 41 항에 있어서,
    DMD는 펠티에 냉각기(Peltier cooler)에 의해 냉각되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  46. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  47. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 가열식 빌드 판을 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  48. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  49. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  50. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  51. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  52. 제 24 항에 있어서,
    시스템은 시스템 내의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  53. 제 24 항에 있어서,
    시스템의 레이저-공간 변조기 조합은 수-kW 전력 밀도를 가지는 분말 층을 생성하고 이미지화하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  54. 제 24 항에 있어서,
    시스템에서 예열에 사용되는 제 2 레이저는 수-와트 내지 수-kW 전력 밀도를 가지는 분말 층에 공간-필터 레이저 시스템의 이미지를 생성하고 중첩 영역을 형성하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  55. 다중 레이저와 다중 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 단일 대형 패턴을 형성하는 금속용 적층 제작 시스템으로서,
    분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템,
    모션 제어 시스템,
    각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터,
    분말을 펼쳐 융합하기 전에 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및
    기밀식 빌드 챔버를 포함하는,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  56. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 약 450 nm 청색 레이저인,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  57. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 300 내지 400 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  58. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 400 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  59. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  60. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  61. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 800 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  62. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 광 파이프, 마이크로-렌즈 균질화기 또는 회절 광학 요소(DOE)에 의해 균질화되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  63. 제 55 항에 있어서,
    레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간 공유되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  64. 제 55 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 마이크로-미러의 어레이인 디지털 마이크로-미러 장치(DMD)인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  65. 제 55 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 부류 중 어느 하나인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  66. 제 55 항에 있어서,
    DMD는 공냉식인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  67. 제 55 항에 있어서,
    DMD는 마이크로-채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의해 수냉되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  68. 제 55 항에 있어서,
    DMD는 펠티에 냉각기(Peltier cooler)에 의해 냉각되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  69. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  70. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 가열식 빌드 판을 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  71. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  72. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  73. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  74. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  75. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  76. 제 55 항에 있어서,
    시스템은 시스템 내의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  77. 제 55 항에 있어서,
    시스템의 레이저-공간 변조기 조합은 수-kW 전력 밀도를 가지는 분말 층을 생성하고 이미지화하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  78. 다중 레이저와 다중 공간 광 변조기를 사용하여 아래 층에 융합되는 분말 금속 층에 바둑판 패턴의 이미지 및 비-이미지를 형성하는 금속용 적층 제작 시스템으로서,
    분말 층을 가로질러 이미지를 단계별로 반복하는 갠트리 시스템,
    모션 제어 시스템,
    각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터,
    분말을 펼쳐 융합하기 전에 분말을 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및
    기밀식 빌드 챔버를 포함하는,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  79. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 약 450 nm 청색 레이저인,
    금속용 금속용 적층 제작 시스템.
  80. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 300 내지 400 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  81. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 400 내지 500 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  82. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  83. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 600 내지 800 nm 파장 범위의 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  84. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 800 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  85. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 광 파이프 또는 마이크로-렌즈 균질화기 또는 회절 광학 요소(DOE)에 의해 균질화되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  86. 제 78 항에 있어서,
    레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간 공유되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  87. 제 78 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 마이크로-미러의 어레이인 디지털 마이크로-미러 장치(DMD)인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  88. 제 78 항에 있어서,
    공간 광 변조기는 수-W 내지 수-kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 부류 중 어느 하나인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  89. 제 78 항에 있어서,
    DMD는 공냉식인,
    금속용 적층 제작 시스템.
  90. 제 78 항에 있어서,
    DMD는 마이크로-채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의해 수냉되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  91. 제 78 항에 있어서,
    DMD는 펠티에 냉각기(Peltier cooler)에 의해 냉각되는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  92. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 구역별 복사 히터를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  93. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 가열식 빌드 판을 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  94. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  95. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 빌드 판의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 판에 내장된 열전쌍 또는 RTD를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  96. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  97. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  98. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 부품 빌드를 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  99. 제 78 항에 있어서,
    시스템은 시스템 내의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  100. 제 78 항에 있어서,
    시스템의 레이저-공간 변조기 조합은 수-kW 전력 밀도를 가지는 분말 층을 생성하고 이미지화하는,
    금속용 적층 제작 시스템.
  101. 레이저 공간 광 변조기 조합체로서,
    이미지를 생성하고 DMD를 가로질러 이미지를 이동시킴으로써 이동 갠트리 시스템에 고정 이미지를 생성하여 융합되는 재료에 패턴을 인쇄하기 위한 노출 시간을 연장하는,
    레이저 공간 광 변조기 조합체.
  102. 금속 분말로부터 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제작 시스템으로서,
    a. 빌드 레이저 빔 경로를 따라서 빌드 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스;
    b. 금속 분말을 가열하기 위한 가열 수단;
    c. 레이저 빔 경로에 있는 DMD로서, DMD에 의해서 빌드 레이저 빔이 DMD로 향하며, DMD는 DMD로부터 레이저 빔 경로를 따라 광학 조립체로 반사되는 2D 이미지 패턴을 생성하는, DMD; 및
    d. 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 하는 광학 조립체로서, 광학 조립체에 의해서 2D 이미지 패턴이 금속 분말로 전달되는, 광학 조립체를 포함하는,
    적층 제작 시스템.
  103. 제 102 항에 있어서,
    가열 수단은 전기 히터, 복사 히터, IR 히터 및 레이저 빔으로 구성된 그룹에서 선택되는,
    적층 제작 시스템.
  104. 제 102 항에 있어서,
    가열 수단은 청색 파장 범위의 파장을 갖는 레이저 빔인,
    적층 제작 시스템.
  105. 제 102 항에 있어서,
    금속 분말은 금속 분말 층을 형성하는,
    적층 제작 시스템.
  106. 제 102 항에 있어서,
    레이저 빔은 청색과 녹색으로 구성된 그룹에서 선택된 파장을 가지는,
    적층 제작 시스템.
  107. 제 102 항에 있어서,
    레이저 빔은 약 450 nm, 약 460 nm, 약 515 nm, 약 532 nm 및 약 550 nm로 구성된 그룹으로부터 선택된 파장을 가지는,
  108. 제 102 항 내지 제 107 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 소스는 약 1 kW 내지 약 20 kW의 출력을 가지는,
    적층 제작 시스템.
  109. 제 102 항 내지 제 108 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2D 이미지는 약 2 kW/cm2 내지 약 5 kW/cm2의 금속 분말에 피크 전력 밀도를 전달하는,
    적층 제작 시스템.
  110. 제 102 항 내지 제 109 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지며; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 500 배 더 큰,
    적층 제작 시스템.
  111. 제 102 항 내지 제 110 항 중 어느 한 항에 있어서,
    DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지며; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 1,000 배 더 큰,
    적층 제작 시스템.
  112. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  113. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 100 ℃ 이내로 가열하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  114. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃로 가열하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  115. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃로 가열하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  116. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃로 가열하고 상기 온도에서 분말을 유지하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  117. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃로 가열하고 상기 온도에서 분말을 유지하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  118. 제 102 항 내지 제 111 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하고 상기 온도에서 분말을 유지하도록 구성되는,
    적층 제작 시스템.
  119. 제 102 항 내지 제 118 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 빌드 레이저 빔 경로를 따라서 제 2 빌드 레이저 빔을 제공하는 제 2 레이저 소스; 및 제 2 레이저 빔 경로에 있는 제 2 DMD를 포함하여, 제 2 빌드 레이저 빔이 제 2 DMD로 향하며, 제 2 DMD는 제 2 DMD로부터 제 2 레이저 빔 경로를 따라 제 2 광학 조립체로 반사되는 제 2 2-D 이미지 패턴을 생성하는,
    적층 제작 시스템.
  120. 제 119 항에 있어서,
    2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 1 구역으로 전달되며, 제 2 2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 2 구역으로 전달되는,
    적층 제작 시스템.
  121. 제 119 항에 있어서,
    제 1 구역과 제 2 구역은 상이한,
    적층 제작 시스템.
  122. 제 119 항에 있어서,
    제 1 구역과 제 2 구역은 인접하는,
    적층 제작 시스템.
  123. 금속 분말로부터 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제작 시스템으로서,
    a. 빌드 레이저 빔 경로를 따라서 빌드 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스;
    b. 가열 레이저 빔을 제공하기 위한 제 2 레이저 소스;
    c. 레이저 빔 경로에 있는 DMD로서, DMD에 의해서 빌드 레이저 빔이 DMD로 향하며, DMD는 DMD로부터 레이저 빔 경로를 따라 광학 조립체로 반사되는 2D 이미지 패턴을 생성하는, DMD; 및
    d. 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 하는 광학 조립체로서, 광학 조립체에 의해서 이미지가 금속 분말로 전달되는, 광학 조립체를 포함하는,
    적층 제작 시스템.
  124. 레이저 공간 광 변조기 조합체로서,
    시간 또는 패턴에서 최적화된 그레이 스케일(grey scale)로 분말 층에 2-D 패턴을 투사함으로써, 열이 용융된 퍼들(puddle)을 원하는 빌드 형상으로 조작하여 더 날카로운 전이부와 더 조밀한 부품을 생성하는,
    레이저 공간 광 변조기 조합체.
KR1020237033515A 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템 KR20230142818A (ko)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862722198P 2018-08-24 2018-08-24
US62/722,198 2018-08-24
US201862726233P 2018-09-01 2018-09-01
US62/726,233 2018-09-01
PCT/US2019/048049 WO2020041786A2 (en) 2018-08-24 2019-08-24 Blue laser metal additive manufacturing system
KR1020217008566A KR102586306B1 (ko) 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217008566A Division KR102586306B1 (ko) 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230142818A true KR20230142818A (ko) 2023-10-11

Family

ID=69591386

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217008566A KR102586306B1 (ko) 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템
KR1020237033515A KR20230142818A (ko) 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217008566A KR102586306B1 (ko) 2018-08-24 2019-08-24 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP3840911A4 (ko)
JP (1) JP2022500249A (ko)
KR (2) KR102586306B1 (ko)
CN (2) CN116638102A (ko)
CA (1) CA3110635A1 (ko)
WO (1) WO2020041786A2 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3157094A1 (en) * 2019-11-06 2021-05-14 Nuburu, Inc. Blue laser metal additive manufacturing system
CN112893871B (zh) * 2021-01-20 2022-09-27 贵州大学 一种铝镁合金3d打印构件接续制造的方法
US20220337014A1 (en) * 2021-04-16 2022-10-20 General Electric Company Thermal control apparatus for laser system
CN215658420U (zh) * 2021-04-21 2022-01-28 深圳市联赢激光股份有限公司 一种复合激光设备及特殊夹具
CN114131049B (zh) * 2021-12-21 2023-10-10 宜宾上交大新材料研究中心 一种铜及铜合金的增材制造方法
CN114888303B (zh) * 2022-05-09 2024-03-15 广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院 一种蓝色激光增材制造装置
CN114734059A (zh) * 2022-05-09 2022-07-12 江苏飞跃机泵集团有限公司 一种激光增材制造过程中温度场的控制方法
CN114833354B (zh) * 2022-05-13 2024-04-19 广东卓劼激光科技有限公司 一种激光增材制造方法
CN115026304A (zh) * 2022-05-18 2022-09-09 武汉数字化设计与制造创新中心有限公司 铜-银异种金属蓝光激光增材制造功能梯度材料的方法
CN115519138A (zh) * 2022-09-23 2022-12-27 华南理工大学 一种基于dmd微镜组的低熔点金属打印装置与方法
CN116786840B (zh) * 2023-07-13 2024-03-22 爱司凯科技股份有限公司 一种匀速移动的dmd面阵3d金属打印方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1988002677A2 (en) * 1986-10-17 1988-04-21 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for producing parts by selective sintering
JP2003080604A (ja) * 2001-09-10 2003-03-19 Fuji Photo Film Co Ltd 積層造形装置
CN1659479A (zh) * 2002-04-10 2005-08-24 富士胶片株式会社 曝光头及曝光装置和它的应用
JP5301217B2 (ja) * 2008-08-22 2013-09-25 パナソニック株式会社 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置
EP3045148B1 (en) * 2009-12-30 2018-11-14 Synthes GmbH Intergrated multi-material implants and methods of manufacture
CN105189021B (zh) * 2013-04-29 2018-05-15 努布鲁有限公司 用于三维打印的设备、系统和方法
DE102013011676A1 (de) * 2013-07-11 2015-01-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zur generativen Bauteilfertigung
US9896944B2 (en) * 2014-04-18 2018-02-20 Siemens Energy, Inc. Forming a secondary structure directly onto a turbine blade
CA2952633C (en) * 2014-06-20 2018-03-06 Velo3D, Inc. Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing
KR102280355B1 (ko) * 2014-11-14 2021-07-21 가부시키가이샤 니콘 조형 장치 및 조형 방법
DE102015211538A1 (de) * 2015-06-23 2016-12-29 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte
CN107921536A (zh) * 2015-07-18 2018-04-17 伏尔肯模型公司 通过空间控制的材料熔合的增材制造
US10443115B2 (en) * 2015-08-20 2019-10-15 General Electric Company Apparatus and method for direct writing of single crystal super alloys and metals
DE102015219355A1 (de) * 2015-10-07 2017-04-13 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zu einer additiven Fertigung
CN109874321B (zh) * 2015-10-30 2021-12-24 速尔特技术有限公司 增材制造系统和方法
KR20230090371A (ko) * 2016-04-29 2023-06-21 누부루 인크. 반도체 패키징, 자동차 전기 장치, 배터리 및 기타 부품에 대한 가시 레이저 용접 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020041786A2 (en) 2020-02-27
CA3110635A1 (en) 2020-02-27
JP2022500249A (ja) 2022-01-04
KR102586306B1 (ko) 2023-10-06
KR20210056358A (ko) 2021-05-18
CN116638102A (zh) 2023-08-25
WO2020041786A3 (en) 2020-04-09
EP3840911A2 (en) 2021-06-30
EP3840911A4 (en) 2022-06-01
CN113226628A (zh) 2021-08-06
CN113226628B (zh) 2023-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102586306B1 (ko) 청색 레이저 금속용 적층 제작 시스템
US20200376764A1 (en) Blue Laser Metal Additive Manufacturing System
US20210323071A1 (en) Blue Laser Metal Additive Manufacturing System
KR102444026B1 (ko) 다중 빔 적층 제조
AU2007240215B2 (en) Optical modeling apparatus
EP3362238B1 (en) Method of additive manufacturing
JP7208162B2 (ja) 付加製造最適化のためのパターン化された光の固体ルーティング
JP7406604B2 (ja) 付加製造方法
CN112955303B (zh) 具有可寻址激光阵列和源实时反馈控制的增材制造系统
EP4054781A1 (en) Blue laser metal additive manufacturing system
US20240131593A1 (en) Blue Laser Metal Additive Manufacturing System
RU2801454C2 (ru) Система аддитивного производства металла на основе синего лазера
WO2023225521A2 (en) Blue laser metal additive manufacturing system
US20210276097A1 (en) 3d printing method for printing components, and corresponding devices
JP2023545689A (ja) 偏光制御により３次元ワークピースを造形するための照射システムを動作させる方法、照射システム及び装置

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent