WO2017039478A1 - Method of treating materials using multibeam laser scanning - Google Patents

Method of treating materials using multibeam laser scanning Download PDF

Info

Publication number
WO2017039478A1
WO2017039478A1 PCT/RU2016/000002 RU2016000002W WO2017039478A1 WO 2017039478 A1 WO2017039478 A1 WO 2017039478A1 RU 2016000002 W RU2016000002 W RU 2016000002W WO 2017039478 A1 WO2017039478 A1 WO 2017039478A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sectors
scanning
processing
laser scanning
sector
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000002
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Владимир Валентинович ПАВЛОВ
Original Assignee
Владимир Валентинович ПАВЛОВ
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 Владимир Валентинович ПАВЛОВ filed Critical Владимир Валентинович ПАВЛОВ
Publication of WO2017039478A1 publication Critical patent/WO2017039478A1/en

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
    • 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
    • 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
    • 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
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • 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
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by 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
    • B23K26/34—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
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • 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

Definitions

  • This invention relates to the field of laser processing of materials, including laser cutting, welding, surfacing, selective sintering or melting of large parts or when processing a large number of products on a single laser complex using multi-beam laser scanning.
  • the level of technology includes laser cutting, welding, surfacing, selective sintering or melting of large parts or when processing a large number of products on a single laser complex using multi-beam laser scanning.
  • the disadvantage of the analogue is to limit the processing speed, since the volume of the treated surface is, as a rule, distributed unevenly across the regions and part of the laser beams that are not included in the overlap zone of the region most loaded with the treatment will not be used to full capacity.
  • the laser beams are physically separated, the scanning areas of each beam are smaller than the total surface to be processed and mutually intersect, forming overlap zones of more than 10% , 20%, 30%, 40%, or 50% of each scan area.
  • the choice of a laser beam for scanning each sector is carried out before the beginning of the additive process in a special data processing unit based on determining the length of time when each laser beam scans each layer.
  • a laser beam is selected for scanning a specific sector by the criterion of uniform loading of a multipath laser source.
  • the disadvantage of the method proposed in the prototype is that when using a multipath laser source that generates dozens and hundreds of rays, for example, using a multipath active element proposed in patent source RU2541735, the algorithm for selecting rays becomes too cumbersome, and the program for its implementation unreliable.
  • the disadvantages associated with the prior art are overcome in the embodiment of the present invention due to the use of a regular structure of the processed sectors within the working field.
  • the working field with the material being processed is conventionally divided by a grid with cells in the form of equilateral triangles into identical triangular sectors or with a grid with cells in the form of squares or rectangles into identical square or rectangular sectors.
  • the output windows of the laser scanning heads are set above the sector tops at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the length of the side of the triangular sector or the length of the diagonal of a square or rectangle, a is the maximum scan angle.
  • the scanning area of each beam When using triangular sectors, the scanning area of each beam completely covers up to six sectors, and in each sector it is possible to process the material simultaneously with at least three rays.
  • the scanning area of each beam When using square or rectangular sectors, the scanning area of each beam completely covers up to four sectors and in each sector it is possible to process the material simultaneously with at least four rays. This allows for a more uniform loading of each beam by grouping at each step of processing several rays in sectors with the largest amount of raw material. After completion of material processing in sectors associated with any laser head and before completion of material processing in other sectors, this head can be used to deliver a defocused beam to sectors that have received the least amount of electromagnetic energy to equalize thermal gradients.
  • steps are provided for calculating corrections to compensate for alignment errors of the laser scanning heads by pointing each beam to several sensors common to each pair of rays with an exactly known position in the coordinate system associated with the working field.
  • the proposed method allows the simultaneous use of a large number of laser beams, which makes it possible to multiply increase the productivity of the installation, allowing the manufacture of large-volume products or the simultaneous production of a large number of products in one installation.
  • Fig.1 - shows the layout of the elements used in the processing of materials using multi-beam laser scanning across triangular-shaped sectors.
  • Fig.2a shows a multipath laser active element.
  • Fig.2b shows the layout of one of the variants of a multi-beam laser source.
  • Fig.3 - shows the layout of the elements used in the processing of materials using multi-beam laser scanning across square or rectangular sectors.
  • Fig.4 installation of sensors to compensate for alignment errors of scanning heads is shown.
  • the implementation of the proposed method of processing materials using multipath laser scanning is divided, as shown in Fig.1, into triangular sectors with a virtual grid 102 with cells in the form of equilateral triangles.
  • the grid nodes are placed opposite the output windows of the scanning laser heads 9, which are installed above the working field at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the length of the side of the triangular sector, a is the maximum scan angle.
  • the output beams 5 of a multipath laser source are formed, for example, using an amplifier 7 with a multichannel solid-state active element proposed in patent source RU2541735.
  • FIG. 2a A nine-channel active element of this type is shown in Fig. 2a It sequentially installs crossed packages from parallel composite laser plates. These plates consist of alternating inactive layers 10 and active layers 11. Pumping is done through narrow faces 33, and cooling through the wide faces of 25 composite plates.
  • Fig. 2b shows an amplifier with a 49-channel active element.
  • Such an amplifier can be very compact, since it has a pumping system common to all amplification channels, consisting of arrays of laser diodes 32 and a cooling system consisting of heat-removing plates 21, coolant collector 22 with fitting 23.
  • the broad beam 4 received from the output beam of the master oscillator 1 is directed to the amplifier input with the help of expander 3.
  • Fig.1 shows the course of only one beam from the general array created by a multipath laser source.
  • the scanning area 91 of each output beam of the scanning laser head 9 can completely cover up to six sectors and in each sector the material can be processed simultaneously with at least three beams.
  • the implementation of the proposed method of processing materials using multipath laser scanning shown in Fig.3, the working field of the frame 100, on which is placed the processed material is divided into a virtual grid 102 square or rectangular sector.
  • the output window of the scanning laser heads 9 are placed opposite the sector tops at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the diagonal length of the square or rectangular sector, a is the maximum scanning angle.
  • the beams 5 formed by the amplifier are directed to the input windows of the scanning laser heads 9, for example, by means of reflective prisms 8. Mirrors or optical fibers can also be used for this purpose.
  • Fig. 3 shows the course of only some of the beams from the common array, created by a multipath laser source.
  • the scanning area 91 of each output beam of the scanning laser head 9 can completely cover up to four sectors and in each sector the material can be processed simultaneously with at least four beams.
  • the processing of the material for example, sintering of the powder, is carried out in accordance with the proposed method as follows.
  • the material to be processed in the quantity necessary for sintering one layer is poured onto the working field of the bed 100, then leveled and compacted.
  • the computer program that controls the processing process divides the working field into triangular, square or rectangular sectors forming a virtual grid 102 on the surface to be processed, the nodes of which will be placed opposite the output windows of the scanning heads.
  • each processing step determined by a computer program an estimate is made of the volume of the raw powder for each sector of the grid 102.
  • Each laser beam is directed to one of the adjacent sectors, in which the maximum amount of raw material remains and is processed in accordance with the program provided for this processing steps.
  • the amount of raw material in the sectors is again estimated and the rays are distributed to sectors with priority to the sectors with the maximum amount of raw material. If the processing of all sectors related to a certain beam is completed before the processing of sectors belonging to other beams, then the finished processing beam in a defocused form is used to heat the material in the processed sectors to reduce temperature gradients within the field being processed.
  • each beam is successively directed to several sensors 104, common to each pair of rays, as shown in Fig.4.
  • the calculation of corrections can be made using triangulation methods, for example, as suggested in patent source US7916375.
  • the sensors 104 are mounted on the ribs of the rigid frame 103 between the treated field of the bed 100 and the output windows of the laser heads 9 in the peripheral scanning zone 92, which is not used in the processing of materials.

Abstract

A method of treating materials using multibeam laser scanning, characterized in that the field undergoing treatment is divided into sectors in the shape of equilateral triangles, squares or rectangles. Laser scanning head outlet ports are positioned above the vertices of said sectors at a height determined by the formula hd/tgα, where d is the length of a side of a triangular sector or of the diagonal of a square or rectangular sector, and α is the maximum scanning angle. At each treatment stage, determined by a computer programme, the amount of non-treated material is assessed in each sector and beams are directed to the sectors having the largest amount of non-treated material. Between the scanning heads and the field undergoing treatment there are mounted sensors which enable the calculation of corrections to compensate for scanning head alignment errors. The result is a more uniform utilization of a large number of laser beams, making it possible to vastly increase the productivity of an apparatus that permits the manufacture of large items or the simultaneous manufacture of a large number of items on a single apparatus.

Description

Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования  The method of processing materials using multi-beam laser scanning
Область техники Technical field
Данное изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в том числе лазерной резке, сварке, наплавке, селективному спеканию или плавлению деталей большого размера или при обработке большого количества изделий на одном лазерном комплексе с помощью многолучевого лазерного сканирования. Уровень техники  This invention relates to the field of laser processing of materials, including laser cutting, welding, surfacing, selective sintering or melting of large parts or when processing a large number of products on a single laser complex using multi-beam laser scanning. The level of technology
В некоторых применениях лазеров желательно одновременно направлять несколько лазерных лучей в одну цель или одновременно обрабатывать несколько целей для того, чтобы ускорить обработку. Способ использования многолучевого источника лазерного излучения, обеспечивающий одновременную обработку материала несколькими лазерными лучами, являющийся аналогом предлагаемого изобретения, описан в патентной заявке US 201301112672. Этот способ включает в себя, среди прочего, шаги по разбиению рабочего пространства на множество регионов, определяющих конфигурацию детали, нанесение слоя материала над рабочей зоной и направление множества лазерных лучей в рабочее пространство для обработки материала в рабочем пространстве в соответствии с определенной для этого региона конфигурацией. Недостаток аналога состоит в ограничении скорости обработки, так как объем обрабатываемой поверхности, как правило, распределен по регионам неравномерно и часть лазерных пучков, не входящих в зону перекрытия самого загруженного обработкой региона, будет использована не на полную мощность. В другом известном способе, описанном в патентной заявке WO 2014199134 и выбранном в качестве прототипа предлагаемого изобретения, для устранения указанного недостатка лазерные пучки физически разнесены, области сканирования каждого пучка меньше, чем общая обрабатываемая поверхность и взаимно пересекаются, образуя зоны перекрытия, составляющие более 10%, 20%, 30%, 40% или 50% каждой области сканирования. Выбор лазерного пучка для сканирования каждого сектора производят до начала аддитивного процесса в специальном блоке обработки данных на основе определения продолжительности времени, когда каждый лазерный луч сканирует каждый слой. На основе анализа этих отрезков времени выбирают лазерный пучок для сканирования определенного сектора по критерию равномерной загрузки многолучевого источника лазерного излучения. Недостаток способа, предложенного в прототипе, состоит в том, что при использовании многолучевого источника лазерного излучения, создающего десятки и сотни лучей, например, с помощью многолучевого активного элемента, предложенного в патентном источнике RU2541735, алгоритм выбора лучей становится слишком громоздким, а программа его реализации ненадежной. In some applications of lasers, it is desirable to simultaneously direct several laser beams to one target or simultaneously to process several targets in order to speed up the processing. The method of using a multipath laser source that provides simultaneous processing of the material by several laser beams, which is analogous to the invention, is described in patent application US 201301112672. This method includes, among other things, steps for dividing the working space into many regions defining the part configuration, applying layer of material above the working area and the direction of multiple laser beams in the workspace for processing the material in the working space in accordance with a specific configuration for this region. The disadvantage of the analogue is to limit the processing speed, since the volume of the treated surface is, as a rule, distributed unevenly across the regions and part of the laser beams that are not included in the overlap zone of the region most loaded with the treatment will not be used to full capacity. In another known method described in patent application WO 2014199134 and selected as the prototype of the present invention, to eliminate this drawback, the laser beams are physically separated, the scanning areas of each beam are smaller than the total surface to be processed and mutually intersect, forming overlap zones of more than 10% , 20%, 30%, 40%, or 50% of each scan area. The choice of a laser beam for scanning each sector is carried out before the beginning of the additive process in a special data processing unit based on determining the length of time when each laser beam scans each layer. Based on the analysis of these time periods, a laser beam is selected for scanning a specific sector by the criterion of uniform loading of a multipath laser source. The disadvantage of the method proposed in the prototype is that when using a multipath laser source that generates dozens and hundreds of rays, for example, using a multipath active element proposed in patent source RU2541735, the algorithm for selecting rays becomes too cumbersome, and the program for its implementation unreliable.
Таким образом, существует потребность в способе обработки материалов многолучевым источником лазерного излучения, в котором преодолены указанные недостатки. Сущность изобретения  Thus, there is a need for a method for processing materials with a multipath laser source in which these disadvantages are overcome. Summary of Invention
Недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники преодолеваются при воплощении настоящего изобретения благодаря использованию регулярной структуры обрабатываемых секторов в пределах рабочего поля. Для этого рабочее поле с обрабатываемым материалом условно разбивают сеткой с ячейками в виде равносторонних треугольников на одинаковые треугольные сектора или сеткой с ячейками в виде квадратов или прямоугольников на одинаковые квадратные или прямоугольные сектора. Выходные окна лазерных сканирующих головок устанавливают над вершинами секторов на высоте, определяемой по формуле h > d/tga, где d - длина стороны треугольного сектора или длина диагонали квадрата или прямоугольника, a - максимальный угол сканирования. При использовании треугольных секторов область сканирования каждого луча полностью охватывает до шести секторов и в каждом секторе возможна обработка материала одновременно, по крайней мере, тремя лучами. При использовании квадратных или прямоугольных секторов область сканирования каждого луча полностью охватывает до четырех секторов и в каждом секторе возможна обработка материала одновременно, по крайней мере, четырьмя лучами. Это дает возможность более равномерной загрузки каждого луча путем группировки на каждом шаге обработки нескольких лучей в секторах, имеющих самый большой объем необработанного материала. После завершения обработки материала в секторах, сопряженных с какой-либо лазерной головкой и до завершения обработки материала в остальных секторах, эта головка может использоваться для подачи расфокусированного луча в сектора, получившие наименьшее количество электромагнитной энергии для выравнивания тепловых градиентов.  The disadvantages associated with the prior art are overcome in the embodiment of the present invention due to the use of a regular structure of the processed sectors within the working field. For this, the working field with the material being processed is conventionally divided by a grid with cells in the form of equilateral triangles into identical triangular sectors or with a grid with cells in the form of squares or rectangles into identical square or rectangular sectors. The output windows of the laser scanning heads are set above the sector tops at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the length of the side of the triangular sector or the length of the diagonal of a square or rectangle, a is the maximum scan angle. When using triangular sectors, the scanning area of each beam completely covers up to six sectors, and in each sector it is possible to process the material simultaneously with at least three rays. When using square or rectangular sectors, the scanning area of each beam completely covers up to four sectors and in each sector it is possible to process the material simultaneously with at least four rays. This allows for a more uniform loading of each beam by grouping at each step of processing several rays in sectors with the largest amount of raw material. After completion of material processing in sectors associated with any laser head and before completion of material processing in other sectors, this head can be used to deliver a defocused beam to sectors that have received the least amount of electromagnetic energy to equalize thermal gradients.
При большом числе секторов возрастают требования к точности сканирования для исключения нестыковок при обработке общей части материала несколькими лучами. Поэтому, в одном из вариантов реализации предлагаемого способа обработки предусмотрены шаги по вычислению поправок для компенсации ошибок юстировки лазерных сканирующих головок путем наведения каждого луча на несколько общих для каждой пары лучей датчиков с точно известным положением в системе координат, связанной с рабочим полем. When a large number of sectors increase the requirements for scanning accuracy to eliminate inconsistencies when processing the general part of the material with several rays. Therefore, in one of the options for implementing the proposed processing method, steps are provided for calculating corrections to compensate for alignment errors of the laser scanning heads by pointing each beam to several sensors common to each pair of rays with an exactly known position in the coordinate system associated with the working field.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает одновременное использование большого количества пучков лазерного излучения, что позволяет многократно повысить производительность установки, допускающей изготовление изделий большого объема или одновременное изготовление большого числа изделий на одной установке.  Thus, the proposed method allows the simultaneous use of a large number of laser beams, which makes it possible to multiply increase the productivity of the installation, allowing the manufacture of large-volume products or the simultaneous production of a large number of products in one installation.
При этом обеспечивается более простой алгоритм равномерной загрузки каждого лазерного луча и поочередного его распределения по прилегающим секторам, с возможностью одновременного использования в каждом из этих секторов нескольких пучков.  This provides a simpler algorithm for the uniform loading of each laser beam and its alternate distribution among adjacent sectors, with the possibility of simultaneous use of several beams in each of these sectors.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
На Fig.1 - показана компоновка элементов, используемых при обработке материалов с помощью многолучевого лазерного сканирования по секторам треугольной формы.  Fig.1 - shows the layout of the elements used in the processing of materials using multi-beam laser scanning across triangular-shaped sectors.
На Fig.2а - показан многолучевой лазерный активный элемент.  Fig.2a shows a multipath laser active element.
На Fig.2b - показана компоновка одного из вариантов многолучевого лазерного источника.  Fig.2b shows the layout of one of the variants of a multi-beam laser source.
На Fig.3 - показана компоновка элементов, используемых при обработке материалов с помощью многолучевого лазерного сканирования по секторам квадратной или прямоугольной формы.  Fig.3 - shows the layout of the elements used in the processing of materials using multi-beam laser scanning across square or rectangular sectors.
На Fig.4 - показана установка датчиков для компенсации ошибок юстировки сканирующих головок.  Fig.4 - installation of sensors to compensate for alignment errors of scanning heads is shown.
Описание обозначений Description of notation
1 : задающий генератор  1: master oscillator
3 : расширитель лазерного излучения  3: laser extender
4: выходной пучок расширителя лазерного излучения  4: laser beam expander output beam
5: массив выходных пучков многолучевого источника лазерного излучения 5: array of output beams of a multipath laser source
7: многолучевой лазерный усилитель 7: Multi-beam Laser Amplifier
8: отражательная призма 9: сканирующая головка 8: reflective prism 9: scanning head
10: неактивный слой  10: inactive layer
11 : активный слой  11: active layer
21 : теплоотводящая пластина  21: heat sink plate
22: коллектор охлаждающей жидкости  22: coolant manifold
23 : штуцер для подачи охлаждающей жидкости  23: coolant connection
25: широкая грань композитной лазерной пластины  25: wide face of a composite laser plate
32: массив линеек лазерных диодов  32: array of laser diode arrays
33: узкая грань композитной лазерной пластины  33: narrow face of a composite laser plate
91: область сканирования  91: scan area
92: периферийные зоны сканирования общие для каждой пары лучей и используемые при обработке материалов  92: peripheral scanning zones common to each pair of rays and used in the processing of materials
100: станина  100: bed frame
102: сетка квадратных, прямоугольных или треугольных секторов  102: grid square, rectangular or triangular sectors
103: рама для установки датчиков  103: frame for installation of sensors
104: датчики  104: sensors
Осуществление изобретения The implementation of the invention
В первом варианте реализации предлагаемого способа обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования, рабочее поле станины 100, на котором размещают обрабатываемый материал, разбивают, как показано на Fig.1 , на треугольные сектора виртуальной сеткой 102 с ячейками в форме равносторонних треугольников. Узлы сетки размещают напротив выходных окон сканирующих лазерных головок 9, которые устанавливают над рабочим полем на высоте, определяемой по формуле h > d/tga, где d - длина стороны треугольного сектора, a - максимальный угол сканирования. Выходные пучки 5 многолучевого источника лазерного излучения формируют, например, с помощью усилителя 7 с многоканальным твердотельным активным элементом, предложенным в патентном источнике RU2541735. Девятиканальный активный элемент такого типа показан на Fig. 2а. В нем последовательно устанавливаются скрещенные пакеты из параллельных композитных лазерных пластин. Эти пластины состоят из чередующихся неактивных слоев 10 и активных слоев 11. Накачка производится через узкие грани 33, а охлаждение через широкие грани 25 композитных пластин. На Fig. 2b показан усилитель с 49-ти канальным активным элементом. Такой усилитель может быть очень компактным, так как имеет общую для всех каналов усиления систему накачки, состоящую из массивов лазерных диодов 32 и систему охлаждения, состоящую из теплоотводящих пластин 21, коллектора охлаждающей жидкости 22 со штуцером 23. На вход усилителя направляют широкий луч 4, полученный из выходного пучка задающего генератора 1, с помощью расширителя 3. Сформированные усилителем лучи 5 направляют на входные окна сканирующих лазерных головок 9, например, с помощью отражательных призм 8. Для этой цели могут быть так же использованы зеркала или оптические волокна. Для упрощения чертежа на Fig.1 показан ход только одного луча из общего массива, создаваемого многолучевым источником лазерного излучения. In the first embodiment, the implementation of the proposed method of processing materials using multipath laser scanning, the working field of the bed 100, on which the processed material is placed, is divided, as shown in Fig.1, into triangular sectors with a virtual grid 102 with cells in the form of equilateral triangles. The grid nodes are placed opposite the output windows of the scanning laser heads 9, which are installed above the working field at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the length of the side of the triangular sector, a is the maximum scan angle. The output beams 5 of a multipath laser source are formed, for example, using an amplifier 7 with a multichannel solid-state active element proposed in patent source RU2541735. A nine-channel active element of this type is shown in Fig. 2a It sequentially installs crossed packages from parallel composite laser plates. These plates consist of alternating inactive layers 10 and active layers 11. Pumping is done through narrow faces 33, and cooling through the wide faces of 25 composite plates. In Fig. 2b shows an amplifier with a 49-channel active element. Such an amplifier can be very compact, since it has a pumping system common to all amplification channels, consisting of arrays of laser diodes 32 and a cooling system consisting of heat-removing plates 21, coolant collector 22 with fitting 23. The broad beam 4 received from the output beam of the master oscillator 1 is directed to the amplifier input with the help of expander 3. The beams 5 formed by the amplifier direct to the input windows of the scanning laser heads 9, for example, using reflective prisms 8. For this purpose, mirrors or optical fibers can also be used. To simplify the drawing, Fig.1 shows the course of only one beam from the general array created by a multipath laser source.
В показанном на Fig.1 варианте структурирования рабочего поля, область сканирования 91 каждого выходного луча сканирующей лазерной головки 9 может полностью накрывать до шести секторов и в каждом секторе материал может обрабатываться одновременно, по крайней мере, тремя лучами.  In the variant of structuring the working field shown in Fig.1, the scanning area 91 of each output beam of the scanning laser head 9 can completely cover up to six sectors and in each sector the material can be processed simultaneously with at least three beams.
В другом варианте реализации предлагаемого способа обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования, показанном на Fig.3, рабочее поле станины 100, на котором размещают обрабатываемый материал, разбивают виртуальной сеткой 102 на квадратные или прямоугольные сектора. Выходные окна сканирующих лазерных головок 9 размещают напротив вершин секторов на высоте, определяемой по формуле h > d/tga, где d - длина диагонали квадратного или прямоугольного сектора, a - максимальный угол сканирования. Сформированные усилителем лучи 5 направляют на входные окна сканирующих лазерных головок 9, например, с помощью отражательных призм 8. Для этой цели могут быть так же использованы зеркала или оптические волокна. Для упрощения чертежа на Fig.3 показан ход только некоторых лучей из общего массива, создаваемого многолучевым источником лазерного излучения. Как видно из Fig.3, при предлагаемом структурировании рабочего поля, область сканирования 91 каждого выходного луча сканирующей лазерной головки 9 может полностью накрывать до четырех секторов и в каждом секторе материал может обрабатываться одновременно, по крайней мере, четырьмя лучами.  In another embodiment, the implementation of the proposed method of processing materials using multipath laser scanning, shown in Fig.3, the working field of the frame 100, on which is placed the processed material is divided into a virtual grid 102 square or rectangular sector. The output window of the scanning laser heads 9 are placed opposite the sector tops at a height determined by the formula h> d / tga, where d is the diagonal length of the square or rectangular sector, a is the maximum scanning angle. The beams 5 formed by the amplifier are directed to the input windows of the scanning laser heads 9, for example, by means of reflective prisms 8. Mirrors or optical fibers can also be used for this purpose. To simplify the drawing, Fig. 3 shows the course of only some of the beams from the common array, created by a multipath laser source. As can be seen from Fig.3, with the proposed structuring of the working field, the scanning area 91 of each output beam of the scanning laser head 9 can completely cover up to four sectors and in each sector the material can be processed simultaneously with at least four beams.
В предпочтительном варианте обработку материала, например, спекание порошка, производят в соответствии с предлагаемым способом следующим образом.  In a preferred embodiment, the processing of the material, for example, sintering of the powder, is carried out in accordance with the proposed method as follows.
Материал, подлежащий обработке в количестве, необходимом для спекания одного слоя, насыпают на рабочее поле станины 100, затем выравнивают и уплотняют. В зависимости от варианта расстановки сканирующих головок, компьютерная программа, управляющая процессом обработки, делит рабочее поле на треугольные, квадратные или прямоугольные сектора, образуя на обрабатываемой поверхности виртуальную сетку 102, узлы которой размешают напротив выходных окон сканирующих головок. The material to be processed in the quantity necessary for sintering one layer is poured onto the working field of the bed 100, then leveled and compacted. Depending on the placement of the scanning heads, the computer program that controls the processing process divides the working field into triangular, square or rectangular sectors forming a virtual grid 102 on the surface to be processed, the nodes of which will be placed opposite the output windows of the scanning heads.
На каждом шаге обработки, определяемом компьютерной программой, производят оценку объема необработанного порошка для каждого сектора сетки 102. Каждый лазерный луч направляют в тот из прилегающих к нему секторов, в котором остается максимальный объем необработанного материала и обрабатывают его в соответствии с программой, предусмотренной для этого шага обработки. На следующем шаге снова производят оценку объема необработанного материала в секторах и распределяют лучи по секторам с приоритетом у секторов с максимальным объемом необработанного материала. Если обработка всех секторов, относящихся к некоторому лучу закончена раньше, чем обработка секторов, относящихся к другим лучам, то закончивший обработку луч в расфокусированном виде используется для подогрева материала в обработанных секторах, для снижения температурных градиентов в пределах обрабатываемого поля.  At each processing step determined by a computer program, an estimate is made of the volume of the raw powder for each sector of the grid 102. Each laser beam is directed to one of the adjacent sectors, in which the maximum amount of raw material remains and is processed in accordance with the program provided for this processing steps. In the next step, the amount of raw material in the sectors is again estimated and the rays are distributed to sectors with priority to the sectors with the maximum amount of raw material. If the processing of all sectors related to a certain beam is completed before the processing of sectors belonging to other beams, then the finished processing beam in a defocused form is used to heat the material in the processed sectors to reduce temperature gradients within the field being processed.
В следующем варианте предлагаемого способа обработки материалов для снижения влияния ошибок юстировки лазерных сканирующих головок между рабочим полем и сканирующими головками размещают датчики пространственного положения лучей в системе координат, связанной с рабочим полем. Перед началом аддитивного процесса с помощью этих датчиков производят вычисление поправок для компенсации ошибок юстировки сканирующих головок. Для этого каждый луч последовательно направляют на несколько общих для каждой пары лучей датчиков 104, как показано на Fig.4. Вычисление поправок может производиться с использованием методов триангуляции, например, так как предложено в патентном источнике US7916375. Датчики 104 устанавливают на ребрах жесткой рамы 103 между обрабатываемым полем станины 100 и выходными окнами лазерных головок 9 в периферийной зоне сканирования 92, не используемой при обработке материалов.  In the next variant of the proposed method of processing materials to reduce the effect of alignment errors of the laser scanning heads between the working field and the scanning heads place the sensors of the spatial position of the rays in the coordinate system associated with the working field. Before the start of the additive process, these sensors are used to calculate corrections to compensate for the alignment errors of the scanning heads. To do this, each beam is successively directed to several sensors 104, common to each pair of rays, as shown in Fig.4. The calculation of corrections can be made using triangulation methods, for example, as suggested in patent source US7916375. The sensors 104 are mounted on the ribs of the rigid frame 103 between the treated field of the bed 100 and the output windows of the laser heads 9 in the peripheral scanning zone 92, which is not used in the processing of materials.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования, отличающийся тем, что обрабатываемое поле разделяют на равносторонние треугольные сектора и выходные окна сканирующих головок устанавливают над вершинами треугольных секторов на высоте, определяемой по формуле h > L/tga, где L - длина стороны треугольного сектора, a - максимальный угол сканирования. 1. The method of processing materials using multi-beam laser scanning, characterized in that the field being processed is divided into equilateral triangular sectors and the output windows of the scanning heads are set above the vertices of the triangular sectors at a height defined by the formula h> L / tga, where L is the length of the triangular side sector, a is the maximum scan angle.
2. Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемое поле разбивают на сектора квадратной или прямоугольной формы, а выходные окна лазерных сканирующих головок устанавливают на высоте, определяемой по формуле h > d/tga, где d - длина диагонали прямоугольного или квадратного сектора, a - максимальный угол сканирования.  2. The method of processing materials using multi-beam laser scanning according to claim 1, characterized in that the field being processed is divided into sectors of square or rectangular shape, and the output windows of the laser scanning heads are set at a height determined by the formula h> d / tga, where d - the length of the diagonal of a rectangular or square sector, a - the maximum scan angle.
3. Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования по п.1 или п.2, отличающийся тем, что на каждом шаге обработки, каждая сканирующая головка направляет луч в тот сопряженный с ней сектор, который имеет наибольший объем необработанного материала.  3. The method of processing materials using multi-beam laser scanning according to claim 1 or claim 2, characterized in that at each processing step, each scanning head directs the beam to that sector associated with it, which has the largest amount of raw material.
4. Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования по п.1 или п.2, отличающийся тем, что после завершения обработки материала в своих секторах и до полной обработки всех секторов рабочего поля, сканирующие головки направляют расфокусированный луч в те сопряженные с ними сектора, которые получили наименьшее количество электромагнитной энергии 4. The method of processing materials using multi-beam laser scanning according to claim 1 or claim 2, characterized in that after completion of processing the material in their sectors and before all sectors of the working field are completely processed, the scanning heads direct the defocused beam to those sectors associated with them who received the least amount of electromagnetic energy
5. Способ обработки материалов с использованием многолучевого лазерного сканирования, отличающийся тем, что: 5. The method of processing materials using multipath laser scanning, characterized in that:
- между обрабатываемым полем и выходными окнами лазерных сканирующих головок устанавливают датчики пространственного положения в системе координат, связанной с обрабатываемым полем;  - between the field to be processed and the output windows of the laser scanning heads, spatial position sensors are installed in the coordinate system associated with the field being processed;
- эти датчики размешают в общей для каждой пары сканирующих головок периферийной зоне сканирования, которая не используется при обработке;  - these sensors will be placed in the peripheral scanning zone common to each pair of scanning heads, which is not used during processing;
- перед началом обработки лучи направляют на эти датчики и вычисляют поправки для компенсации ошибок юстировки сканирующих головок.  - before starting processing, the rays are directed to these sensors and corrections are calculated to compensate for the alignment errors of the scanning heads.
PCT/RU2016/000002 2015-08-28 2016-01-13 Method of treating materials using multibeam laser scanning WO2017039478A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015136478A RU2015136478A (en) 2015-08-28 2015-08-28 A method of processing materials using a multipath source of laser radiation
RU2015136478 2015-08-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017039478A1 true WO2017039478A1 (en) 2017-03-09

Family

ID=58188094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000002 WO2017039478A1 (en) 2015-08-28 2016-01-13 Method of treating materials using multibeam laser scanning

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2015136478A (en)
WO (1) WO2017039478A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111036901A (en) * 2019-12-10 2020-04-21 西安航天发动机有限公司 Selective laser melting forming method for multi-material part
CN111805181A (en) * 2020-07-20 2020-10-23 石家庄恒融世通电子科技有限公司 Method for preparing preformed soldering lug
DE102020107800A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Carl Zeiss Ag MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019130043A1 (en) * 2017-12-26 2019-07-04 Arcelormittal Method for butt laser welding two metal sheets with first and second front laser beams and a back laser beam

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2132761C1 (en) * 1993-10-20 1999-07-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Method and apparatus for laser sintering
RU2386517C1 (en) * 2008-08-07 2010-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for sintering in laser layer powder synthesis of volume parts
WO2014199134A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-18 Renishaw Plc Selective laser solidification apparatus and method
EP2878409A1 (en) * 2013-11-27 2015-06-03 SLM Solutions Group AG Method of and device for controlling an irradiation system
WO2015083104A1 (en) * 2013-12-03 2015-06-11 Layerwise N.V. Method and device for calibrating multiple energy rays for the additive manufacturing of an object

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2132761C1 (en) * 1993-10-20 1999-07-10 Юнайтид Текнолоджиз Копэрейшн Method and apparatus for laser sintering
RU2386517C1 (en) * 2008-08-07 2010-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for sintering in laser layer powder synthesis of volume parts
WO2014199134A1 (en) * 2013-06-10 2014-12-18 Renishaw Plc Selective laser solidification apparatus and method
EP2878409A1 (en) * 2013-11-27 2015-06-03 SLM Solutions Group AG Method of and device for controlling an irradiation system
WO2015083104A1 (en) * 2013-12-03 2015-06-11 Layerwise N.V. Method and device for calibrating multiple energy rays for the additive manufacturing of an object

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111036901A (en) * 2019-12-10 2020-04-21 西安航天发动机有限公司 Selective laser melting forming method for multi-material part
DE102020107800A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Carl Zeiss Ag MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT
CN111805181A (en) * 2020-07-20 2020-10-23 石家庄恒融世通电子科技有限公司 Method for preparing preformed soldering lug

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015136478A (en) 2017-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017039478A1 (en) Method of treating materials using multibeam laser scanning
US11478856B2 (en) Selective laser solidification apparatus and method
JP6224707B2 (en) Apparatus and manufacturing method for manufacturing three-dimensional solid object using lamination
US20230150191A1 (en) Device for the generative production of a three-dimensional object
JP7407832B2 (en) Control method, control device and manufacturing device
JP2016527101A5 (en)
US20190329323A1 (en) Additive manufacturing apparatus and method
CN107039885A (en) The laser array being imaged applied to 3D
EP3213905B1 (en) Multichannel head assembly for three-dimensional modeling apparatus, having polygon mirror rotating in single direction, and three-dimensional modeling apparatus using same
KR20150115595A (en) Device for forming a 3-dimensional shaped object
CN107953552B (en) Laser scanning method, readable storage medium and laser scanning control device
CN206908092U (en) VCSEL array light source, laser projection device and 3D imaging devices
AU2016273986A1 (en) 3D printing device for producing a spatially extended product
US20170326646A1 (en) Additive manufacturing apparatus and methods
TW201603992A (en) Improved method for controlling the activity of at least two light radiation sources belonging to a stereolithography machine
US20220080652A1 (en) Energy dosing for additive manufacturing
US20190224750A1 (en) Method for additively manufacturing at least one three-dimensional object
CN107297897B (en) A kind of equipment and temperature field adjusting method of Layered manufacturing three-dimension object
US20160064262A1 (en) Semiconductor manufacturing apparatus, semiconductor manufacturing system, and semiconductor manufacturing method
US20190143606A1 (en) Method for additively manufacturing three-dimensional objects
CN207134607U (en) Laser array and its laser projection device and 3D imaging devices applied to 3D imagings
EP3393760B1 (en) Additive manufacturing apparatus and methods
KR20230037596A (en) Optical Zoom in Additive Manufacturing
US20230234135A1 (en) Planning device and method for planning a locally selective irradiation of a work region using an energy beam, computer program product for carrying out such a method, manufacturing device having such a planning device, and method for the additive manufacture of a component from a powder material
RU2632745C2 (en) Multi-beam laser radiation source and device for handling materials with its use

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16842400

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16842400

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1