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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024178131
(43)【公開日】2024-12-24
(54)【発明の名称】３次元オブジェクトを付加製造するシステム
(51)【国際特許分類】
B22F 12/44 20210101AFI20241217BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20241217BHJP
B22F 12/42 20210101ALI20241217BHJP
B29C 64/153 20170101ALI20241217BHJP
B29C 64/268 20170101ALI20241217BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20241217BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20241217BHJP
【ＦＩ】
B22F12/44
B22F10/28
B22F12/42
B29C64/153
B29C64/268
B33Y10/00
B33Y30/00
【審査請求】有
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024092992
(22)【出願日】2024-06-07
(31)【優先権主張番号】63/472,049
(32)【優先日】2023-06-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】トンプソン、ブライアン トーマス
(72)【発明者】
【氏名】シマーモン、デイヴィッド スコット
(72)【発明者】
【氏名】スティール、ウィリアム ジョセフ
(57)【要約】
【解決手段】３次元オブジェクトを付加製造するシステム（１０）を提供する。システム（１０）は、ビルドプラットフォーム（１１２）と、レーザダイオードのアレイ（２００）であって、前記レーザダイオードの前記アレイ（２００）の各レーザダイオード（２１０）はレーザビーム（２２０）を前記ビルドプラットフォーム（１１２）に向けるように構成されている、レーザダイオードのアレイ（２００）と、コントローラ（１０２）であって、制御信号が前記コントローラ（１０２）から各レーザダイオード（２１０）に個別に伝達されるように、前記レーザダイオードの前記アレイ（２００）の各レーザダイオード（２１０）に通信可能に結合されている、コントローラ（１０２）と、を含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
３次元オブジェクトを付加製造するシステムであって、
ビルドプラットフォームと、
レーザダイオードのアレイであって、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードはレーザビームを前記ビルドプラットフォームに向けるように構成されている、レーザダイオードのアレイと、
コントローラであって、制御信号が前記コントローラから各レーザダイオードに個別に伝達されるように、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードに通信可能に結合されている、コントローラと、
を含むシステム。
ビルドプラットフォームと、
レーザダイオードのアレイであって、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードはレーザビームを前記ビルドプラットフォームに向けるように構成されている、レーザダイオードのアレイと、
コントローラであって、制御信号が前記コントローラから各レーザダイオードに個別に伝達されるように、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードに通信可能に結合されている、コントローラと、
を含むシステム。
【請求項2】
前記アレイの前記レーザダイオードが第１方向の複数の行にあり、前記第１方向に直交する第２方向の複数の列にあるように、前記レーザダイオードの前記アレイは配置され、
各レーザダイオードが、各隣接するレーザダイオードから離間している、
請求項１に記載のシステム。
各レーザダイオードが、各隣接するレーザダイオードから離間している、
請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記複数の行の隣接する行は、前記第１方向に互い違いに配置されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記複数の列の隣接する列は、前記第２方向に互い違いに配置されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項5】
前記レーザダイオードの前記アレイは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向の複数の層に配置されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項6】
前記コントローラは、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、
前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、
請求項６に記載のシステム。
前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、
請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、
前記光学素子は複数の光学素子を含み、
複数の前記光学素子の各々は、各々の前記レーザビームを操作するように構成されている、
請求項６に記載のシステム。
前記光学素子は複数の光学素子を含み、
複数の前記光学素子の各々は、各々の前記レーザビームを操作するように構成されている、
請求項６に記載のシステム。
【請求項9】
前記レーザダイオードの前記アレイは、第１方向または前記第１方向に直交する第２方向に移動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードは、第１方向または前記第１方向に直交する第２方向に移動可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記レーザダイオードの前記アレイは、前記ビルドプラットフォームのビルド面よりも大きい領域に分配されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
前記レーザダイオードは、積層２次元パターンで配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
前記レーザダイオードは、３次元パターンで複数の層に配置されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記コントローラは、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項15】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、
前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、
請求項１４に記載のシステム。
前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、
請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、粉末床溶融法に使用される装置などの３次元オブジェクトを付加製造するためのレーザビームを生成する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
付加製造システムはビルドマテリアル（例えば、粉末）からオブジェクトを層状にビルドするために利用され得る。３次元オブジェクトは、粉末マテリアルの連続層を溶融および／または焼結するために、レーザビームを粉末床（例えば、ビルドプラットフォーム）上に向ける粉末床溶融プロセスを用いて付加製造することができる。粉末マテリアルを溶融および／または融合することによって形成される３次元オブジェクトの特性は、レーザビームを生成するためのシステムによって提供されるエネルギビームの１つまたは複数の特性に少なくとも部分的に依存し得る。したがって、当技術分野では、部品ごとのビルド費用の低減につながるビルドスピードを高めることができる改善されたエネルギビームシステムおよび／または方法を含む、改善された付加製造システムおよび方法を提供することが歓迎されるのであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
本開示の一形態は、３次元オブジェクトを付加製造するシステムであって、ビルドプラットフォームと、レーザダイオードのアレイであって、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードはレーザビームを前記ビルドプラットフォームに向けるように構成されている、レーザダイオードのアレイと、コントローラであって、制御信号が前記コントローラから各レーザダイオードに個別に伝達されるように、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードに通信可能に結合されている、コントローラと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【発明を実施するための形態】
【0005】
図面に示される実施形態は本質的に例示的なものであり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照符号で示されている添付の図面と併せて読むと理解することができる。
【0006】
本明細書に記載の実施形態は、３次元オブジェクトを付加製造するシステムおよび方法を対象とする。このシステムには、ビルドプラットフォーム上に配置された粉末マテリアルを溶融または融解させるために、ビルドプラットフォームにレーザビームを照射するレーザダイオードを含むレーザダイオードのアレイが含まれる。各レーザダイオードは、レーザビームを操作（例えば、ステアリング）するコントローラの要求に応じて、任意の順序でレーザエネルギーを放出するように個別に制御される。これにより、微細構造形成の精密な制御が可能となり、結果としてマテリアル特性を向上させることができる。３次元オブジェクトを付加製造するシステムおよび方法の様々な実施形態が、本明細書でより詳細に説明される。可能な場合は常に、同じまたは同様の部分を指すために、図面全体を通して同じ参照符号が使用される。
【0007】
特に明示しない限り、本明細書に記載された方法が、そのステップを特定の順序で実行することを要求するものであると解釈されること、また、いかなる装置においても特定の方向性を要求するものであると解釈されることは、決して意図されていない。したがって、方法クレームが実際にそのステップに従うべき順序を列挙していない場合、または任意の装置クレームが実際に個々の構成要素に対する順序または向きを列挙していない場合、またはステップが特定の順序に限定されるべきであること、または装置の構成要素に対する特定の順序または向きが列挙されていないことが、特許請求の範囲または説明において別段具体的に述べられていない場合、順序または向きがいかなる点においても推論されることは決して意図されていない。これは、ステップの配置、動作フロー、構成要素の順序、または構成要素の向きに関する論理の問題、文法的編成または句読点から導出される平易な意味、および本明細書に記載される実施形態の数またはタイプを含む、解釈のための任意の可能な非明示的基礎に当てはまる。
【0008】
本明細書で使用される場合、単数形「１つの」などは文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の指示対象を含む。したがって、たとえば、「１つの」構成要素への言及は文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、２つ以上のそのような構成要素を有する態様を含む。
【0009】
本明細書に記載されるように、本開示の主題は、３次元オブジェクトを付加製造するためのシステム、装置、または方法の使用を含む。本明細書で使用するとき、「付加製造」という語は一般に、構成要素がピースごと又は層ごとに製造される製造技術を指す。例示的な付加製造機は、任意の好適な付加製造技術を利用するように構成され得る。付加製造機は、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）技術、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）技術、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）技術、または選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）技術などの粉末床溶融（ＰＢＦ）技術を含む付加製造技術を利用することができる。例示的なＰＢＦ技術では、粉末マテリアルの薄層がビルド面に連続的に適用され、次いで、１つまたは複数の３次元オブジェクトを形成するために、層ごとに互いに選択的に溶融または融着される。付加的に製造されたオブジェクトは一般に、本質的にモノリシックであり、様々な一体のサブコンポーネントを有することができる。
【0010】
さらに、または代替的に適した付加製造技術としては、例えば、ＦＤＭ技術、直接エネルギ堆積（ＤＥＤ）技術、レーザエンジニアリングネットシェーピング（ＬＥＮＳ）技術、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）技術、直接金属堆積（ＤＭＤ）技術、デジタル光処理（ＤＬＰ）技術、Ｖａｔ重合（ＶＰ）技術、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）技術、およびエネルギビームまたは他のエネルギ源を利用して粉末マテリアルなどの付加製造マテリアルを固化する他の付加製造技術が挙げられる。実際、任意の好適な付加製造様式が、本開示の主題とともに利用され得る。
【0011】
付加製造技術は一般に、典型的には縦方向に、オブジェクトを点ごと、ラインごと、または層ごとでビルドすることによるオブジェクトの製造として説明することができる。他の製造方法も考えられ、本開示の範囲内である。例えば、本明細書での議論は連続する層を形成するためのマテリアルの追加に言及しているが、本開示の主題は層付加プロセス、層除去プロセス、または混成プロセスを含む、任意の付加製造技術または他の製造技術を用いて実施することができる。
【0012】
本明細書に記載の付加製造方法は、任意の好適なマテリアルを使用して構成要素を形成するために使用することができる。例えば、マテリアルは、金属、セラミック、ポリマー、エポキシ、フォトポリマー樹脂、プラスチック、コンクリート、または固体、液体、粉末、シートマテリアル、ワイヤ、もしくは任意の他の適切な形態、またはそれらの組み合わせであり得る任意の他の適切なマテリアルであり得る。例示的なマテリアルとしては、金属、ポリマ、またはセラミック、ならびにこれらの組み合わせが挙げられ得る。追加的に、または代替的に、例示的なマテリアルは、金属、セラミック、またはバインダ、ならびにこれらの組合せを含むことができる。例示的なセラミックは、超高温セラミック、および／またはポリマ前駆体などの超高温セラミックの前駆体を含むことができる。
【0013】
本明細書で使用するとき、「ビルド面」という語は、付加製造処理中にエネルギビームが衝突する面によって画定される面を指す。例えば、ビルド面１１１が図１に示されている。一般に、粉末床（例えば、図１の粉末床１１５）の表面は、ビルド面を画定する。粉末床のそれぞれの層の照射中、それぞれの層の以前に照射された部分はビルド面の一部を画定し得、および／またはビルドモジュール（例えば、図１のビルドモジュール１１０）、粉末床を支持するビルドプレート（例えば、図１のビルドプラットフォーム１１２）にわたって粉末マテリアルを分配する前に、粉末床は、一般にビルド面を画定する。
【0014】
「第１」、「第２」、および「第３」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために互換的に使用され得、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図しないことを理解されたい。用語「１つの」などは、量の限定を示すものではなく、むしろ、参照されるものの少なくとも１つの存在を示す。
【0015】
図１を参照すると、３次元オブジェクトを付加製造するシステム１０が示されている。システム１０は、ビルドプラットフォーム１１２と、レーザダイオードのアレイ２００と、コントローラ１０２とを含む。システム１０は３次元オブジェクトを付加製造する様々な構成要素を含むデバイス１００（例えば、３次元プリンタ、付加製造機など）を含むことができる。デバイス１００は、ビルドモジュール１１０、粉末モジュール１２０、および／またはオーバーフローモジュール１３０を含むことができる。ビルドモジュール１１０、粉末モジュール１２０、および／またはオーバーフローモジュール１３０は、アセンブリラインプロセスなどでデバイス１００に取り付けられ、そこから取り外されるように構成されたモジュール式コンテナの形態で提供されてもよい。加えて、または代替として、ビルドモジュール１１０、粉末モジュール１２０、および／またはオーバーフローモジュール１３０は、デバイス１００の固定構成要素を画定し得る。
【0016】
ビルドモジュール１１０はビルドチャンバ１１８を含むことができ、ビルドチャンバ内でオブジェクト１１４を付加製造することができ、ビルドプラットフォーム１１２はビルドプラットフォーム１１２上に分配された粉末マテリアル１１３の１つ以上の層を支持し、ビルドピストン１１６はビルドプラットフォーム１１２を方向ｂ（例えば、図１の座標軸の－Ｚ方向）に下げて、粉末マテリアル１１３のための余地を作る。粉末マテリアル１１３のフレッシュ層または最上層（例えば、ビルド面１１１）は、粉末モジュール１２０によって粉末床１１５まで層ごとに順次作成され、レーザダイオード２００のアレイによって選択的に溶融または融着されて、オブジェクト１１４を付加製造することができる。
【0017】
粉末モジュール１２０は、供給チャンバ１２８内に収容された粉末マテリアル１２４の供給を含むことができる。粉末モジュール１２０は、粉末供給床１２２を作動させる粉末ピストン１２６を含む。粉末ピストン１２６はデバイス１００の動作中、粉末供給床１２２を方向ｃ（例えば、図１の座標軸の＋Ｚ方向）に上昇させることができる。粉末供給床１２２が上昇すると、粉末マテリアル１２４の一部が粉末モジュール１２０から押し出される。ブレードまたはローラなどのリコータ１４０は、ビルドモジュール１１０のビルドのビルド面１１１にわたって粉末マテリアル１２４の薄層を連続的に分配する。リコータ１４０はビルドプラットフォーム１１２上に粉末マテリアル１２４を分配するために、方向ａ（例えば、図１の座標軸の＋Ｘ方向）に移動され得る。
【0018】
オーバーフローモジュール１３０は、オーバーフローチャンバ１３８内の過剰な粉末マテリアル１３４を捕捉することができる。過剰な粉末マテリアル１３４はビルドプラットフォーム１１２の上方のビルド面１１１を横切って粉末マテリアル１２４の薄層を作り出すことによるオーバーフロー（例えば、残り）であってもよい。オーバーフローモジュール１３０は追加の過剰粉末マテリアル１３４のためにオーバーフローチャンバ１３８内に余地を作るために、粉末床１３２を方向ｄ（例えば、図１の座標軸の－Ｚ方向）に徐々に下げるオーバーフローピストン１３６を含むことができる。
【0019】
デバイス１００は、粉末モジュール１２０および／またはオーバーフローモジュール１３０を利用しなくてもよく、異なる粉末供給システムおよび／または過剰な粉末再捕捉システムを含む、粉末マテリアル１２４を取り扱うための他のシステムが提供されてもよいことが理解されよう。本発明の主題は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の好適な付加製造機を用いて実施することができる。
【0020】
コントローラ１０２は制御信号がコントローラ１０２から各レーザダイオード２１０に個別に伝達されるように、レーザダイオード２００のアレイの各レーザダイオード２１０に通信可能に結合される。コントローラ１０２はデバイス１００の一部として含まれ得るか、またはコントローラ１０２はデバイス１００に関連付けられ得る。コントローラ１０２は、デバイス１００の一部として提供されてもよく、および／またはデバイス１００とは別個に提供されてもよい。コントローラ１０２の様々な構成要素は、デバイス１００の様々な構成要素に通信可能に結合され得る。コントローラ１０２は、管理システム１０６及び／又はユーザインターフェース１０８と通信可能に結合されてもよい。管理システム１０６は、システム１０を動作させるためにコントローラ１０２とインタラクションするように構成され得る。管理システム１０６の動作は、管理システム１０６からコントローラ１０２にデータを送信すること、および／またはコントローラ１０２から管理システム１０６にデータを送信することを含み得る。ユーザインターフェース１０８は、ユーザがシステム１０とインタラクションすることを可能にする１つまたは複数のユーザ入力／出力装置を含むことができる。
【0021】
コントローラ１０２は、機械可読および実行可能命令を実行することが可能な任意のデバイスであり得る１つまたは複数のプロセッサを含み得る。したがって、コントローラ１０２の１つまたは複数のプロセッサの各々は、集積回路、マイクロチップ、または任意の他のコンピューティングデバイスであり得る。プロセッサは、デバイス１００、管理システム１０６、および／またはユーザインターフェース１０８を含むシステム１０の様々な構成要素間のシグナル接続性を提供する通信経路１０４に結合され得る。したがって、通信経路１０４はシステム１０の任意の数の構成要素を互いに通信可能に結合し、それらが分散コンピューティング環境において動作することを可能にし得る。本明細書で使用される場合、「通信可能に結合された」という語句は、結合された構成要素が、例えば、導電媒体を介した電気信号、空気を介した電磁信号、光導波路を介した光信号など、互いにデータ信号を交換（伝達）できることを意味する。
【0022】
レーザビームシステム２３０は、複数のレーザダイオード２１０を含むレーザダイオード２００のアレイを含むことができる。例えば、複数のレーザダイオード２１０は任意の単一または多数の波長（例えば、複数の波長）を利用することができる。レーザダイオード２００のアレイは、レーザダイオードアレイハウジング２０２に結合されてもよい。レーザダイオード２００のアレイの各レーザダイオード２１０は、レーザビームをビルドプラットフォーム１１２に向けるように構成される。レーザビームは、ビルド面１１１のそれぞれの部分を選択的に凝固させることができる。レーザビームが粉末マテリアル１１３の連続層を選択的に溶融または融合すると、オブジェクト１１４は３次元形状に形成される。複数のレーザダイオード２１０は、それぞれ、レーザビームを放出するように構成されてもよい。例えば、複数のレーザダイオード２１０は、二重ヘテロ構造レーザダイオード、量子井戸レーザダイオード、分離閉じ込めヘテロ構造レーザダイオード、分離閉じ込めヘテロ構造量子井戸レーザダイオード、分布ブラッグ反射器レーザダイオード、分布帰還レーザダイオード、垂直共振器面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、垂直外部共振器面発光レーザダイオード（ＶＥＣＳＥＬ）、ブラッグ反射器レーザダイオードなどを含むことができる。
【0023】
典型的にはＤＭＬＭ、ＥＢＭ、またはＳＬＭシステムでは粉末マテリアル１１３は完全に溶融され、それぞれの層はエネルギビームのそれぞれのパスで溶融または再溶融される。ＤＭＬＳまたはＳＬＳシステムでは、典型的には粉末マテリアル１１３の層は焼結され、一般に粉末マテリアルの融点に達することなく、粉末マテリアル１１３の粒子を互いに融合する。レーザビームシステム２３０は、デバイス１００および／またはデバイス１００とは別に設けられたコンポーネントの一部として統合されたコンポーネントであってもよい。
【0024】
図２Ａを参照すると、レーザダイオード２００のアレイの各レーザダイオード２１０は、レーザビーム２２０をビルドプラットフォーム１１２に向けるように構成される。各レーザダイオード２１０は、レーザビーム２２０を、ビルドプラットフォーム１１２によって支持された粉末床１１５のビルド面１１１に向けて方向付けることができる。実施形態では、レーザダイオード２００のアレイがビルド面１１１全体を覆うようなサイズにすることができる。レーザダイオード２００のアレイは、レーザビーム２２０をビルド面１１１の全表面領域に向けるのに十分な数のレーザダイオード２１０を含むことができる。レーザダイオード２１０は、レーザビーム２２０をビルド面１１１の表面領域全体に向けるように整列させることができる。レーザビーム２２０は任意の波長（例えば、ＵＶ、可視、赤外線等）であってもよい。実施形態では、レーザダイオード２００のアレイがビルドプラットフォーム１１２に対して所定の位置に固定されてもよい。実施形態では、レーザダイオード２１０がレーザビーム２２０をビルド面１１１上の選択されたスポットに向けるように選択的に動作させることができる。例えば、レーザダイオード２１０の各々は、それぞれのレーザビーム２２０をビルド面１１１上のそれぞれのスポットまたは領域に向けて、ビルド面１１１の粉末マテリアル１１３を溶融または融合させて、ビルドされるオブジェクトの所望の形状を達成するように個別に動作される。図２Ａにおけるいくつかの重複する要素番号（例えば、レーザダイオード２１０およびレーザビーム２２０）は、明確にするために省略されていることに留意されたい。
【0025】
さらに図２Ａを参照すると、レーザ投射境界１１７は、ビルド面１１１および粉末床１１５よりも広い面積を画定する。すなわち、レーザ投射境界１１７はビルド面１１１および粉末床１１５の全領域よりも大きい領域を覆い、その結果、ビルド面１１１および粉末床１１５の全領域が、複数のレーザダイオード２１０の各々から放出されるレーザによって到達され得る。結果として、本明細書に記載されるレーザダイオードのアレイはオブジェクトを形成するために走査デバイスと光学的に結合された１つまたは２つのレーザを利用する従来のビルドチャンバと比較して、より迅速に、効率的に、かつ正確に、ビルド面１１１上にオブジェクトを形成する能力を有する。
【0026】
図２Ｂを参照すると、レーザダイオード２００のアレイの例示的なパターンが示されている。レーザダイオード２１０は、層状の２次元パターンで配置されてもよい。例えば、レーザダイオード２１０は第１方向（例えば、図２Ａの座標軸の＋／－Ｘ方向）に複数の行（例えば、行１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、および４Ｒ）に配列され、第１方向に直交する第２方向（例えば、図２Ａの座標軸の＋／－Ｙ方向）に複数の列（例えば、列１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ、および５Ｃ）に配列される。列１Ｒ～４Ｒは、互いから均等に離間され得る。レーザダイオード２１０の各々はレーザダイオード２１０が複数の行（例えば、行１Ｒ～４Ｒ）内で行ピッチで離間されるように、それぞれの行内の隣接するレーザダイオードから離間され得る。列１Ｃ～５Ｃは、互いに均等に離間されてもよい。行１Ｒ～４Ｒの間の空間は、列１Ｃ～５Ｃの間の空間と同じであってもよい。レーザダイオード２１０の各々はレーザダイオード２１０が複数の列（例えば、列１Ｃ～５Ｃ）内で列ピッチで離間されるように、それぞれの列内の隣接するレーザダイオードから離間されてもよい。実施形態では、複数のレーザダイオード２１０がビルドプラットフォームのビルド表面よりも大きい領域に分布されてもよい。例えば、レーザ投射境界１１７は、レーザダイオード２１０がその上にレーザビームを放出し得る領域を示す。
【0027】
図３Ａ～３Ｃを参照すると、レーザダイオード２００ａ～２００ｃのアレイの例示的なパターンが示されている。図３Ａ及び図３Ｂは、積層２次元パターンに配列されたレーザダイオード２１０ａ及び２１０ｂの例を示す。図３Ａでは、レーザダイオード２００ａのアレイが複数の行１Ｒａ～４Ｒａに配列されたレーザダイオード２１０ａを含む。複数の行１Ｒａ～４Ｒａの隣接する行（例えば、行１Ｒａおよび２Ｒａ、２Ｒａおよび３Ｒａ、ならびに３Ｒａおよび４Ｒａ）は、第１方向（例えば、図３Ａの座標軸の＋／－Ｘ方向）に互い違いに配置される。隣接する行は、互いに対して反対方向にシフトされていてもよい。例えば、行１Ｒａ，３Ｒａは、行２Ｒａ，４Ｒａに対して、図３Ａの座標軸の－Ｘ方向にシフトされている。
【0028】
図３Ｂを参照すると、レーザダイオード２００ｂのアレイは、複数の列１Ｃｂ～５Ｃｂに配置されたレーザダイオード２１０ｂを含む。複数の列１Ｃｂ～４Ｃｂの隣接する列（例えば、列１Ｃｂおよび２Ｃｂ、２Ｃｂおよび３Ｃｂ、３Ｃｂおよび４Ｃｂ、ならびに４Ｃｂおよび５Ｃｂ）は、第２方向（例えば、図３Ｂの座標軸の＋／－Ｙ方向）に互い違いに配置される。隣接する列は、互いに対して反対方向にシフトされ得る。例えば、列１Ｃｂ，３Ｃｂ，５Ｃｂは、列２Ｃｂ，４Ｃｂに対して、図３Ｂの座標軸の＋Ｙ方向にシフトされている。
【0029】
図３Ｃを参照すると、レーザダイオード２００ｃのアレイは第１および第２方向（例えば、図３Ｃの座標軸の＋／－Ｘおよび＋／－Ｙ方向）の両方に直交する第３方向（例えば、図３Ｃの座標軸の＋／－Ｚ方向）に複数の層（例えば、層１Ｌ、２Ｌ）に配列されたレーザダイオード（例えば、レーザダイオード２１１ｃ、２１２ｃ）を含む。複数のレーザダイオード２１１ｃ、２１２ｃは、３次元パターンで配列されてもよい。例えば、層１Ｌは複数のレーザダイオード２１１ｃを含み、層２Ｌは、複数のレーザダイオード２１２ｃを含む。隣接する層（例えば、層１Ｌおよび層２Ｌ）は互いに隣接して積層されてもよく、レーザダイオード２１１ｃおよびレーザダイオード２１２ｃは、第３方向に互い違いに配置されてもよい。レーザダイオード２１１ｃとレーザダイオード２１２ｃとは、第３方向（例えば、図３Ｃの座標軸の＋／－Ｚ方向）において、互いに重なっていなくてもよい。実施形態において、層１Ｌは２次元パターンで配列されたレーザダイオード２１１ｃを有してもよく、層２Ｌは２次元パターンで配列されたレーザダイオード２１２ｃを有していてもよい。
【0030】
図３Ａ～３Ｃに示されるレーザダイオード２００ａ～２００ｃのアレイの例示的なパターンは、図３Ａ～３Ｃに示されるレーザダイオードの数よりも多い又は少ないレーザダイオードを整列させるために適用され得るパターンであることに留意されたい。レーザダイオード２００ａ～２００ｃのアレイの例示的なパターンは、アレイのレーザダイオードのすべてを整列させるために適用され得る。図３Ａ～図３Ｃに示されるレーザダイオード２００ａ～２００ｃのアレイの互い違いの配列は、ビルド面１１１に適用されるレーザエネルギのより微細な分解能を可能にし得る。
【0031】
図４Ａを参照すると、コントローラ１０２（図１に示す）は、各レーザダイオード２１０を選択的に操作して、各レーザダイオード２１０からのレーザビームを個別に又は順番に放出することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１０２がレーザビームを選択的に放出して、粉末床１１５のビルド面１１１の粉末マテリアルを特定の形状などに溶融または融合させて、粉末のボクセルの熱サイクルを精密に制御して微細構造を形成することができる。例えば、レーザビーム群２２２の各レーザビームは、単一のレーザダイオード２１０のレーザビームから形成され得る直径を有するようにサイズ決めされた、ドット形状または円形の溶融プール２２２ａを生成し得る。レーザビーム２２２はビルド面１１１を、ビルド面１１１の異なる時間又は領域で同時に、連続して、又は段階的に照射することができる。別の例では、レーザビーム群２２４の各レーザビームが複数のライン形状の溶融プール２２４ａを生成することができる。レーザビーム２２４はビルド面１１１を同時に照射して、ビルド面１１１の異なる時間または領域で同時に、連続的に、または段階的に、ライン形状の溶融プール２２４ａを生成することができる。レーザビーム群２２６の各レーザビームはオフアングルライン（例えば、対角線）を含む、レーザダイオード２１０が整列され得る任意の方向に、ライン形状の溶融プール２２６ａを生成し得る。ライン形状の溶融プール２２６ａ全体は同時に、長さに沿って互い違いに、または一端から他端まで連続して作り出すことができる。また、レーザビーム群２２８は粉末床１１５の予熱、後加熱、またはその場での熱制御のために、一次固化経路の周りの領域２２８ｂでビルド面１１１を加熱するために照射することができる。レーザビーム群２２８の各レーザビームのパワーは領域２２８ｂを照射して熱プロファイルを生成するように個別に制御されてもよく、これは、粉末床１１５内の熱ストレスを低減することができ、または調整された微細構造を達成するのを助けることができる。レーザビーム群２２９のグループの各々は、曲線形状の溶融プール２２９ａを生成することができる。曲線形状の溶融プール２２９ａは同時に、弧の長さに沿って互い違いに、または一端から他端まで連続的に生成されてもよい。個々のレーザビームの選択的制御は適切な熱入力バランス、溶融プールの維持、および得られる微細構造形成の厳密な制御を提供することができ、これは、機械的特性（例えば、強度、延性、硬度、耐衝撃性、破壊靭性など）、粗さなどの表面特徴、および製造されるオブジェクトの構造設計に対する制御を提供することができる。
【0032】
図４Ｂを参照すると、レーザビームシステム２３０は、ビルドプラットフォーム１１２とレーザダイオード２００のアレイとの間に配置された光学素子２４０を含むことができる。実施形態において、光学素子２４０は、１つ以上の光学素子を含んでもよい。コントローラ１０２は、光学素子２４０を利用することによって、各レーザダイオード２１０を選択的に操作して、複数のレーザビーム２２０またはレーザビーム２２０の各々を放出、操縦、収束、または組み合わせることができる。光学素子２４０はレーザビーム２２０を操作してレーザビーム２２０の角度を変更し、ビルド面１１１を照射することができる。レーザビーム２２０は、ビルド面１１１に対して角度をなすように集中または収束することができる。傾斜したレーザビーム２２０は、レーザビーム２２０の入射角に応じて、様々な形状の１つまたは複数の溶融プール２４４ｂを生成することができる。例えば、溶融プール２４４ｂは入射角が０°に近いとき、ドットまたは円形に近い形状を有する可能性がある。また、溶融プール２４４ｂの形状は、入射角が大きくなるにつれて、楕円形に向かって変化してもよい。レーザビーム２２０は任意の角度の１つ以上のライン形状の溶融プール２４４ａを生成するために、光学素子２４０によってラインに集中または収束され得る。例えば、レーザビーム２２０は光学素子２４０によってラインに集束または折り畳まれて、ライン形状の溶融プール２４６ａを垂直に、またはライン形状の溶融プール２４４ａに対して任意の角度で作り出すことができる。光学素子２４０は予熱、後加熱、または他の方法で粉末床１１５の熱制御のために、一次固化経路を取り囲むか、または調整する前に、領域２４８ｂを融合または溶融する代わりに、加熱するために、コントローラ１０２によって指示されるのと同じまたは低減された電力を有する選択ダイオードからレーザビーム２２０を操作（例えば、レーザ放射）および／または集束させるために使用され得る。光学素子２４０は、レーザビーム２２０を操作して、曲線形状の溶融プール２４９ａを生成することができる。実施形態では、コントローラ１０２が光学素子２４０を制御して、レーザビーム２２０をビルド面１１１上の所望の位置に操作して固化をサポートするように回転させる。光学素子２４０は粉末床１１５上の所望の位置にビームを操作して、固化を支援し、したがって、機械的特性（例えば、強度、延性、硬度、耐衝撃性、破壊靭性など）、粗さなどの表面特徴、および製造されるオブジェクトの構造設計を制御することができる。
【0033】
図４Ｃを参照すると、光学素子２５０はビルドプラットフォーム１１２とレーザダイオード２００のアレイとの間に、ダイオードの近くか、またはダイオードから離して配置され、各レーザダイオード２１０またはレーザダイオード２１０の組み合わせの放射に対処するように構成された複数の光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８を含むことができる。複数の光学素子の各々はそれぞれのレーザビーム２２０または複数のレーザビーム２２０を操作し、デフォーカスし、または集中させるように構成されたミラー、レンズ、または他の光学デバイスであってもよい。光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８は、レーザビーム２２０をビルド面１１１上に向けるように構成される。例えば、コントローラ１０２は光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８の各々を選択的に制御して、空間内の物理的位置（例えば、図４Ｃの座標軸の＋／－Ｘ、＋／－Ｙ、＋／－Ｚ方向の移動）またはそれぞれの光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８の形状または形態を変更することができる。光学素子２５１の角度はそれぞれのレーザビームを操作するように変更されてもよく、光学素子２５２の形状は凸形状または任意の他の形状を有するように変更されてもよく、光学素子２５３の形状はそれぞれのレーザビームの焦点を変更してもよい。２つの光学素子２５４、２５６を使用して、それぞれのレーザビームを操作し、焦点を合わせ、または焦点をずらすことができる。光学素子２５６の１つは、粉末マテリアルを照射することによる煙やすすなどの汚染物質からレーザビームシステム２３０の１つ以上の構成要素（例えば、光学素子２５４）を保護する保護ガラスなどの窓であってもよい。光学素子２５７は上下に（例えば、図４Ｃの座標軸の＋／－Ｚ方向に）移動されてもよく、光学素子２５８は横方向に（例えば、図４Ｃの座標軸の＋／－Ｘおよび／または＋／－Ｙ方向に）移動されてもよい。光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８の個々の制御は所望の幾何学的形状、微細構造、および物理的特性を生成するために放出されるレーザエネルギの最も効率的な使用を行うように、レーザダイオード２１０から来る個々のまたは集合的な光エネルギの集中を提供することができる。光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８の個々の制御は所望の溶融プール形成および／または加熱特性を生成するように、レーザダイオード２１０から来る個々のまたは集合的な光エネルギの集中を提供することができる。特に、光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７は同時に、連続的に、および／または代替的な溶融プール形成のために個々に制御されてもよい。光学素子２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８の個々の制御はビルドにおける熱ストレスを低減し、および／または調整された微細構造を達成するために、所望の熱プロファイルを保証することができる。
【0034】
図５を参照すると、レーザビームシステム２３０ｄは第１方向２０ａに（例えば、図５の座標軸の＋／－Ｘ方向に）および／または第１方向２０ａに直交する第２方向２０ｂに（例えば、図５の座標軸の＋／－Ｙ方向に）移動可能であり得るレーザダイオード２００ｄのアレイを含み得る。レーザダイオード２００ｄのアレイの代わりに、またはレーザダイオード２００ｄのアレイに加えて、レーザダイオード２１０ｄの各々は第１方向２１ａに（例えば、図５の座標軸の＋／－Ｘ方向に）および／または第１方向２１ａに直交する第２方向２１ｂに（例えば、図５の座標軸の＋／－Ｙ方向に）移動可能であり得る。実施形態ではビルドプラットフォーム１１２のビルド面１１１が静止したままであり得る（例えば、ビルドプラットフォーム１１２のビルド面１１１は図５の座標軸の＋／－Ｘ方向および＋／－Ｙ方向に移動しない）一方、レーザダイオード２００ｄおよび／またはレーザダイオード２１０ｄのアレイはビルド面１１１を照射するように移動される。レーザダイオード２００ｄまたは個々のダイオード２１０ｄの可動アレイは前述の操作可能な光学デバイス（例えば、光学素子２４０、光学素子２５０など）と併せて、またはそれらとは別個に使用され得る。図５の座標軸の＋／－Ｘ、＋／－Ｙ方向のうちの少なくとも１つにおけるレーザダイオード２００ｄ、レーザダイオード２１０ｄ、および／または光学素子（例えば、光学素子２４０、光学素子２５０など）のアレイの個々の移動は、レーザダイオード２００のアレイのレーザダイオード２１０のピッチから生じ得る、粉末床１１５上に存在する任意のギャップのレーザ発振を提供し得る。
【0035】
図６を参照すると、図１のシステム１０によって実行される３次元オブジェクトを付加製造するための装置６００のフローチャートが示されている。ステップ６０２において、制御信号はレーザダイオードのアレイ（例えば、レーザダイオード２００のアレイ）の各レーザダイオード（例えば、レーザダイオード２１０）に伝達される。例えば、各レーザダイオードは、それぞれの制御信号を受信することができる。それぞれの制御信号は、各レーザダイオードに固有であってもよい。制御信号はコントローラ（例えば、コントローラ１０２）から伝達され得る。実施形態では、制御信号が各レーザダイオードをオン及びオフし、及び／又は各レーザダイオードのパワーレベルを増加又は減少させる信号を含むことができる。実施形態では、制御信号が１つまたは複数の光学素子（たとえば、図４Ｂおよび図４Ｃの光学素子２４０、２５１、２５２、２５３、２５４、２５６、２５７、２５８）を制御するための信号を含み得る。例えば、制御信号は、１つまたは複数の光学素子の角度、形態、および／または位置を変更することができる。実施形態では、制御信号がレーザダイオードのアレイ（例えば、図５のレーザダイオード２００ｄのアレイ）および／または各レーザダイオード（例えば、図５のレーザダイオード２１０ｄ）の位置を制御するための信号を含むことができる。例えば、図５に示すように、制御信号は、レーザダイオード２００ｄのアレイの位置を第１方向２０ａ及び／又は第２方向２０ｂに移動させることができる。制御信号は、各レーザダイオード２１０ｄを第１方向２１ａおよび／または第２方向２１ｂに移動させることができる。
【0036】
さらに図６を参照すると、ステップ６０４において、レーザダイオードのアレイの各レーザダイオードのレーザビームは、制御信号に基づいてビルドプラットフォームに向けられる。例えば、レーザビーム（例えば、図２Ａのレーザビーム２２０）は制御信号に基づいて、ビルドプラットフォーム（例えば、ビルドプラットフォーム１１２）に向けられる。レーザビームは製造されるオブジェクトの設計を達成するために、制御信号に基づいてビルドプラットフォーム上の粉末マテリアルを照射するように向けられてもよい。その結果、制御信号に基づいてレーザ光が制御され、特定の方法で粉末マテリアルに照射される。
【0037】
実施形態ではステップ６０４において、レーザダイオードのアレイまたは各レーザダイオードは制御信号に基づいて、第１方向および第１方向に直交する第２方向に移動され得る。図５を参照して前述したように、制御信号は、レーザダイオード２００ｄのアレイを第１方向２０ａ及び／又は第２方向２０ｂに移動させることができる。制御信号は、各レーザダイオード２１０ｄを第１方向２１ａおよび／または第２方向２１ｂに移動させることができる。
【0038】
実施形態ではステップ６０４において、各レーザダイオードのレーザビームは制御信号に基づいて選択的に操作され得る。各レーザダイオードのレーザビームは、各レーザダイオードを直接制御することによって選択的に操作することができる。例えば、各レーザダイオードの位置や、各レーザダイオードのレーザ光の強度等を変更するように、各レーザダイオードを制御してもよい。各レーザダイオードのレーザビームは、１つ以上の光学素子を制御することによって選択的に操作することができる。例えば、各光学素子は、角度が付けられてもよく、または各光学素子の位置もしくは形態が各レーザダイオードのレーザビームを操作するために変更されてもよい。
【0039】
ここで、本明細書に記載される実施形態は、３次元オブジェクトを付加製造するためのシステムおよび方法を対象とすることを理解されたい。システムはレーザダイオードを含むレーザダイオードのアレイを含み、レーザダイオードの各々はビルドプラットフォーム上に配置された粉末マテリアルを溶融ビルド融合するために、レーザビームをビルドプラットフォームに向ける。各レーザダイオードは、各レーザダイオードから生成された特定のパワーのレーザビームを放出するように個別に制御され、その後、任意の光学素子またはデバイスを介して操作される。個々に制御されたレーザビームは、微細構造形成の精密な制御、ひいては得られるマテリアル特性を提供することができる。結果として、本明細書に記載されるレーザダイオードのアレイはオブジェクトを形成するために走査デバイスに光学的に結合された１つまたは２つのレーザを利用する従来のビルドチャンバと比較して、より迅速に、効率的に、かつ正確に、ビルド面上にオブジェクトを形成する能力を有し得る。さらに、個々のレーザビームの選択的制御または操作は結果として生じる微細構造形成に対する適切な熱入力バランスおよび厳密な制御を提供することができ、これは、物理的および機械的特性（例えば、強度、延性、硬度、耐衝撃性、破壊靭性など）、粗さなどの表面特徴、および製造されるオブジェクトの構造設計に対する制御を提供することができる。
【0040】
本明細書に記載される実施形態のさらなる態様は、以下の節の主題によって提供される。
【0041】
３次元オブジェクトを付加製造するシステムであって、ビルドプラットフォームと、レーザダイオードのアレイであって、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードはレーザビームを前記ビルドプラットフォームに向けるように構成されている、レーザダイオードのアレイと、コントローラであって、制御信号が前記コントローラから各レーザダイオードに個別に伝達されるように、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードに通信可能に結合されている、コントローラと、を含むシステム。
【0042】
前記レーザダイオードの前記アレイは、第１方向の複数の行に配置され、前記第１方向に直交する第２方向の複数の列に配置され、各レーザダイオードが、各隣接するレーザダイオードから離間するように配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0043】
前記複数の行の隣接する行は、前記第１方向に互い違いに配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0044】
前記複数の列の隣接する列は、前記第２方向に互い違いに配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0045】
前記レーザダイオードの前記アレイは、前記第１方向及び前記第２方向の両方に直交する第３方向の複数の層に配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0046】
前記コントローラは、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、前述のいずれかのシステム。
【0047】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、前述のいずれかのシステム。
【0048】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、前記光学素子は複数の光学素子を含み、複数の前記光学素子の各々は、各々の前記レーザビームを操作するように構成されている、前述のいずれかのシステム。
【0049】
前記レーザダイオードの前記アレイは、第１方向または前記第１方向に直交する第２方向に移動可能である、前述のいずれかのシステム。
【0050】
前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードは、第１方向または前記第１方向に直交する第２方向に移動可能である、前述のいずれかのシステム。
【0051】
前記レーザダイオードの前記アレイは、前記ビルドプラットフォームのビルド面よりも大きい領域に分配されている、前述のいずれかのシステム。
【0052】
前記レーザダイオードは、積層２次元パターンで配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0053】
前記レーザダイオードは、３次元パターンで複数の層に配置されている、前述のいずれかのシステム。
【0054】
前記コントローラは、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、前述のいずれかのシステム。
【0055】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、前記コントローラは、前記光学素子を利用することによって、各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、前述のいずれかのシステム。
【0056】
前記ビルドプラットフォームと前記レーザダイオードの前記アレイとの間に配置されている光学素子をさらに含み、前記光学素子が複数の光学素子を含み、複数の前記光学素子の各々が、各々の前記レーザビームを操作するように構成されている、前述のいずれかのシステム。
【0057】
前記レーザダイオードの前記アレイは、２次元パターンで配置されている複数のレーザダイオードの別の層を含む、前述のいずれかのシステム。
【0058】
３次元オブジェクトを付加製造する方法であって、レーザダイオードのアレイの各レーザダイオードに個別に制御信号を伝達し、前記レーザダイオードの前記アレイの各レーザダイオードのレーザビームを、前記制御信号に基づいてビルドプラットフォームに向ける、方法。
【0059】
前記制御信号に基づいて、第１方向、及び、前記第１方向に直交する第２方向に、前記レーザダイオードの前記アレイまたは各レーザダイオードを移動させる、ことをさらに含む、前述のいずれかの方法。
【0060】
前記制御信号に基づいて各レーザダイオードの前記レーザビームを選択的に操作する、ことをさらに含む、前述のいずれかの方法。
【0061】
プロセッサと、コンピュータコードを記憶する非一時的メモリとを含むコントローラであって、コンピュータコードはプロセッサによって実行されると、プロセッサに、レーザダイオードのアレイの各レーザダイオードに個別に制御信号を伝達させ、制御信号はレーザダイオードのアレイのレーザダイオードに、レーザビームをビルドプラットフォームに向けさせる、コントローラ。
【0062】
制御信号はさらに、制御信号に基づいて、レーザダイオードのアレイまたは各レーザダイオードを、第１方向および第１方向に直交する第２方向に移動させる、前述のいずれかのコントローラ。
【0063】
制御信号は、制御信号に基づいて、各レーザダイオードのレーザビームを選択的に操作させる、前述のいずれかのコントローラ。
【0064】
特許請求される主題の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に対して様々な修正および変更を行うことができることが、当業者には明らかであろう。したがって、本明細書は、そのような修正および変形が添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に入ることを条件として、本明細書に記載される様々な実施形態の修正および変形を包含することが意図される。
【0065】
〔関連出願の相互参照〕
【0066】
本明細書は２０２３年６月９日に出願され、「レーザダイオードアレイを用いて３次元オブジェクトを付加製造する装置及び方法」と題された米国仮特許出願第６３／４７２，０４９号の利益を主張し、その全体は、本明細書に参考として援用される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5】
【図6】
【外国語明細書】