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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-25
(45)【発行日】2023-05-08
(54)【発明の名称】レーザ加工のための微細スケールでの時間的制御
(51)【国際特許分類】
B23K 26/00 20140101AFI20230426BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230426BHJP
B23K 26/062 20140101ALI20230426BHJP
【ＦＩ】
B23K26/00 N
B23K26/064 A
B23K26/062
【請求項の数】
19
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018097649
(22)【出願日】2018-05-22
(65)【公開番号】P2018196904
(43)【公開日】2018-12-13
【審査請求日】2021-04-27
(31)【優先権主張番号】15/601,828
(32)【優先日】2017-05-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518055899
【氏名又は名称】エヌライト，インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【氏名又は名称】中西 基晴
(74)【代理人】
【識別番号】100173565
【弁理士】
【氏名又は名称】末松 亮太
(72)【発明者】
【氏名】ロバート・ジェイ・マルティンセン
【審査官】後藤 泰輔
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１１４４３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７９０６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１６－５０２６０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０４６１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４０８０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平０９－５０４０５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２５５４３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９０４６２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、前記走査経路に近接する前記標的の材料の物質相の不安定性の低減に関連付けられている前記レーザビームの変調を決定することであって、前記変調が、前記レーザビームの強度を、２つ以上の別個のレーザビームのパワーレベル間で交互に離散的に変化させ、前記レーザビームの平均パワーにおいて所定の変化を生じさせることを含むことと、
前記物質相の不安定性を低減するように、前記走査経路に沿った前記レーザビームの前記方向付けの間に、前記決定された変調によって、前記レーザビームを変調することと、を含む、方法。
【請求項2】
前記走査経路に近接する前記標的において、前記物質相の不安定性に関連付けられている標的特性を検出することを更に含み、前記決定された変調が、前記検出された標的特性に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記レーザビームを前記変調することが、標的溶融排出物の生成の可能性を低減するように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記標的特性が、前記標的における前記レーザビームの領域において検出される、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
前記標的特性が、前記標的における金属粉末の溶融プールの温度であるか、又は前記金属粉末若しくは溶融プールに関連付けられた蒸気圧である、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記標的特性が、標的溶融排出物に関連付けられた画像変動の変動である、請求項２に記載の方法。
【請求項7】
前記標的特性が、前記走査経路及び前記レーザビームに近接する溶融プール又は標的溶融排出物に関連付けられた分光学的特性を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項8】
前記変調が、前記標的における前記レーザビームの領域の変調を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記走査経路に近接する前記標的において、プローブビームを方向付けることを更に含み、前記検出された標的特性が、前記プローブビームと前記走査経路に近接する前記標的との間の相互作用に関連付けられている、請求項２に記載の方法。
【請求項10】
レーザビームを放射するように配置されたレーザ源と、前記レーザビームを標的に方向付けて、選択的に標的部分を溶融するように配置されたビーム結合光学部品と、
前記レーザ源に結合され、前記標的部分における物質相の不安定性を示す検出された光学特性に基づいて、前記標的部分のレーザビーム特性を変調するレーザビームの変調信号を発生させるように配置されたコントローラと、を備え、
前記変調が、前記レーザビームの強度を、２つ以上の別個のレーザビームのパワーレベル間での交互に離散的に変化させ、前記レーザビームの平均パワーにおいて所定の変化を生じさせることを含む、機器。
【請求項11】
前記コントローラに電気的に結合され、前記光学特性を検出するように前記標的に光学的に結合された検出器を更に備え、前記レーザビームの変調信号が、前記検出された光学特性に応答して、前記コントローラによって発生される、請求項１０に記載の機器。
【請求項12】
前記コントローラが、少なくとも１つのプロセッサと、
前記少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、前記コントローラに、
前記検出された標的特性を、レーザビームの領域及びレーザビームのパワーのうちの１つ以上を含む一連のレーザビームの変調値と比較させ、
前記比較に基づいて所定の蒸気圧に対応するレーザビームの変調を決定させ、
前記決定されたレーザビームの変調から前記レーザビームの変調信号を生じさせる、
格納された命令を含む１つ以上のコンピュータ可読ストレージ媒体と、
を含み、前記変調が、前記レーザビームの強度を、２つ以上の別個のレーザビームのパワーレベル間での交互に離散的に変化させ、前記レーザビームの平均パワーにおいて所定の変化を生じさせることを含む、請求項１１に記載の機器。
【請求項13】
前記検出器が、前記標的の前記領域から光を受光するように配置されたビーム分配器ピックオフを通って、前記レーザ源と前記標的との間で前記レーザビームの経路に光学的に結合された光検出器である、請求項１１に記載の機器。
【請求項14】
前記コントローラが、少なくとも１つのプロセッサと、前記少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、前記コントローラに、前記検出された光学特性に少なくとも部分的に基づいて、レーザビームの領域及びレーザビームの平均パワーのうちの１つ以上のレーザビームの変調を決定させ、前記決定されたレーザビームの変調に基づいて、前記レーザビームの変調信号を生じさせる、格納された命令を含む１つ以上のコンピュータ可読ストレージ媒体と、を含む、請求項１０に記載の機器。
【請求項15】
前記ビーム結合光学部品が、前記コントローラによって発生されたレーザビーム走査信号を受信するように前記コントローラに結合され、前記レーザ源からの前記レーザビームを受光して、前記レーザビームを、前記レーザビーム走査信号に基づいて、前記レーザビームの位置を変化させる１つ以上の走査ミラーによって前記標的に方向付けるように配置されているビーム走査光学部品を含み、前記レーザビームの変調が、前記標的に対する前記レーザビームの走査移動に基づいて更に決定される、請求項１４に記載の機器。
【請求項16】
前記ビーム結合光学部品が、前記レーザビームを受光し、レーザビーム集束部における前記レーザビームのビーム領域を変化させて、前記標的における前記レーザビームの前記領域を変化させるように配置されたビームエキスパンダを含む、請求項１０に記載の機器。
【請求項17】
前記２つ以上の別個のレーザビームのパワーレベル間のレーザビームのパワーにおける前記変調が、一定又は可変の変調周期及びデューティサイクルにしたがう、請求項１２に記載の機器。
【請求項18】
前記検出された光学特性が、温度、スペクトル変動、放射率、反射率、透過率、又は散乱のうちの１つ以上を含むか、又はそれらに対応する、請求項１１に記載の機器。
【請求項19】
前記レーザビームの変調信号が、標的蒸気圧の低減及び標的溶融排出物の前記生成の低減に関連付けられている、請求項１０に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、レーザ加工に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、順次層による物体の形成技術が成熟し、広範に利用できるようになるにつれて、付加製造及び３Ｄ印刷技術が注目されるようになってきた。具体的には、現在、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）及び選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）などのレーザに基づく方法が、鋳造及び機械加工などの、工業グレードの物体を製造するための従来の技術に取って代わる可能性があり得る。しかしながら、数多くの障害が残っている。例えば、従来の付加製造法は、典型的には、従来製造されている相対物のように迅速に、又は完成した状態において信頼性の高い物体を作成することができない。更に、作成された物体は、しばしば、優れた精度の細部又は特徴の解像度を有しない。故に、従来の付加製造機器及び方法と関連付けられた問題点及び欠点を解決することを目的とする新しい手法に必要性が残っている。
【発明の概要】
【0003】
いくつかの実施形態によれば、方法は、可変走査速度で走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で標的におけるフルエンスを提供するように、走査経路に沿ったレーザビームの移動中に、及び可変走査速度に関連してデジタル変調を調整することとを含む。
【0004】
更なる実施形態によれば、方法は、走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることを含み、該方向付けることは、標的において可変スポットサイズをレーザビームに提供するように、ズームビームエキスパンダによってレーザビームの幅を調整することと、ｚ軸集束調整光学システム及びガルバノメーター走査システムを有する３Ｄ走査システムによって、ズームビームエキスパンダからレーザビームを受光することと、標的において走査経路に沿って可変スポットサイズを有するレーザビームを走査することとを含む。
【0005】
更なる実施形態によれば、機器は、レーザビームを放射するように位置させたレーザ源と、レーザビームを受光し、標的において走査平面内の走査経路に沿ってレーザビームを方向付けるように位置させた３Ｄスキャナと、走査経路に沿ったレーザビーム走査速度が変化したときに所定のフルエンス範囲にある、走査経路に沿った走査平面においてフルエンスを生じさせるようにレーザ源に結合された、レーザ源デジタル変調器とを備える。追加的な例において、機器は、レーザ源からレーザビームを受光するように、及び３Ｄスキャナによって受光するレーザビームの幅を変化させて走査平面内のレーザビームの集束させたレーザスポットのサイズを変化させるように位置させた、ズームビームエキスパンダを更に備える。
【0006】
追加的な実施形態によれば、方法は、集束フィールド内の標的においてレーザビームを集束させることと、走査経路に沿って、集束させたレーザビームを可変速度で走査することと、走査経路に沿って標的によって受光されるレーザビームの平均パワーを調整するように、及び標的と関連付けられた１つ又は２つ以上のレーザ加工閾値を上回る、又は下回るフルエンスを標的に提供するように、走査経路に沿った走査移動中にレーザビームをデジタル変調することとを含む。
【0007】
更なる例によれば、方法は、走査経路に沿って可変走査速度でレーザビームを標的に方向付けることと、可変走査速度に基づいて、ズームビームエキスパンダによってレーザビームのコリメート幅を調整することとを含む。いくつかの例において、コリメート幅は、標的における可変スポットサイズ、及び走査経路に沿った所定のフルエンス範囲内の標的におけるフルエンスをレーザビームに提供するように調整される。いくつかの例は、可変走査速度に基づいて、レーザビームのデジタル変調を調整することを更に含むことができる。
【0008】
追加的な実施形態において、方法は、標的において可変スポットサイズをレーザビームに提供するように、ズームビームエキスパンダによってレーザビームの幅を調整することと、走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、走査経路に沿って所定のフルエンス範囲内で標的におけるフルエンスを提供するように、可変スポットサイズに関連するレーザビームをデジタル変調することとを含む。更なる例において、レーザビームは、可変走査速度で走査経路に沿って標的に方向付けられ、デジタル変調は、標的においてフルエンスを走査経路に沿った所定のフルエンス範囲内に維持するように調整される。
【0009】
いくつかの例では、方法は、走査経路に沿ってレーザビームを標的に方向付けることと、走査経路に近接する標的の材料の物質相の不安定性に関連付けられているレーザビームの変調レベルを決定することと、物質相の不安定性を低減するように、走査経路に沿ったレーザビームの方向付けの間に、レーザビームを決定された変調レベルに変調することとを含む。いくつかの例は、走査経路に近接する標的において、物質相の不安定性に関連付けられている標的特性を検出することを更に含み、決定された変調レベルは、検出された標的特性に基づいている。更なる例では、レーザビームの変調は、標的溶融排出物の生成の可能性を低減するように選択される。いくつかの例によれば、標的におけるレーザビームの領域において、標的特性又は物質相の不安定性に関連付けられた特性が検出される。更なる例では、標的特性又は特性は、標的における金属粉末の溶融プールの温度、及び／又は金属粉末若しくは溶融プールに関連付けられた蒸気圧、標的溶融排出物に関連付けられた画像変動の変動に対応し、並びに／又は走査経路及びレーザビームに近接する溶融プール若しくは標的溶融排出物に関連付けられた分光学的特性を含むことができる。いくつかの例において、変調は、２つ以上の別個のレーザビームのパワーレベル間のレーザビームの強度の変調、及び／又は標的におけるレーザビームの領域の変調を含む。いくつかの例では、プローブビームが走査経路に近接する標的に方向付けられ、検出された標的特性は、プローブビームと走査経路に近接する標的との間の相互作用に関連付けられる。
【0010】
開示される技術のいくつかの例によれば、機器は、レーザビームを放射するように配置されたレーザ源と、レーザビームを標的に方向付けて、選択的に標的部分を溶融するように配置されたビーム結合光学部品と、レーザ源に結合され、標的部分における物質相の不安定性を示す検出された光学特性に基づいて、標的部分のレーザビーム特性を変調するレーザビームの変調信号を発生させるように配置されたコントローラとを備える。いくつかの例は、コントローラに電気的に結合され、光学特性を検出するように標的に光学的に結合された検出器を更に備え、レーザビームの変調信号が、検出された光学特性に応答して、コントローラによって発生される。更なる例では、コントローラは、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、コントローラに検出された標的特性を、レーザビームの領域及びレーザビームの電力のうちの１つ以上を含む一連のレーザビームの変調値と比較させ、比較に基づいて所定の蒸気圧に対応するレーザビームの変調を決定させ、決定されたレーザビームの変調からレーザビームの変調信号を生じさせる、格納された命令を含む１つ以上のコンピュータ可読ストレージ媒体とを含む。いくつかの例において、検出器は、標的の領域から光を受光するように配置されたビーム分配器ピックオフを通って、レーザ源と標的との間でレーザビームの経路に光学的に結合された光検出器である。更なる例では、コントローラは、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサによる実行に応答して、コントローラに、検出された光学特性に少なくとも部分的に基づいて、レーザビームの領域及びレーザビームの平均パワーのうちの１つ以上のレーザビームの変調を決定させ、決定されたレーザビームの変調に基づいて、レーザビームの変調信号を生じさせる、格納された命令を含む１つ以上のコンピュータ可読ストレージ媒体とを含む。いくつかの例では、ビーム結合光学部品は、コントローラによって発生されたレーザビーム走査信号を受信するようにコントローラに結合され、レーザ源からのレーザビームを受光して、レーザビームを、レーザビーム走査信号に基づいて、レーザビームの位置を変化させる１つ以上の走査ミラーによって標的に方向付けるように配置されているビーム走査光学部品を含み、レーザビームの変調は、標的に対するレーザビームの走査移動に基づいて更に決定される。更なる例では、ビーム結合光学部品は、レーザビームを受光するように、かつレーザビーム集束部におけるレーザビームのビーム領域を変化させて、標的におけるレーザビームの領域を変化させるように配置されたビームエキスパンダを含む。更なる例では、レーザビームの電力のレーザビームの変調は、一定又は可変の変調周期及びデューティサイクルに応じて、２つ以上の別個のレーザビームの電力間のレーザビームの電力の変調を含む。いくつかの例によれば、検出された光学特性は、温度、スペクトル変動、放射率、反射率、透過率、若しくは散乱のうちの１つ以上を含むか、又はそれらに対応する。更なる例では、レーザビームの変調信号は、標的蒸気圧の低減及び標的溶融排出物の生成の低減に関連付けられている。
【0011】
開示された技術の前述及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】付加製造機器の概略側面図である。
【図2A】レーザパターニング走査経路の上面図である。
【図2B】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2C】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2D】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2E】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2F】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2G】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2H】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図2I】走査されたレーザビームに関連する変数のグラフである。
【図3】集束位置に関するフルエンスのグラフである。
【図4】レーザパターニング機器の概略側面図である。
【図5】レーザパターニング機器の別の概略側面図である。
【図6】レーザパターニング加工のフローチャートである。
【図7】レーザパターニングシステムの概略図である。
【図8】レーザパターニングシステムの別の概略図である。
【図9】レーザパターニングシステムの別の概略図である。
【図10A】金属粉末を溶融させるレーザビームの上面図及び側面図である。
【図10B】金属粉末を溶融させるレーザビームの上面図及び側面図である。
【図11】関連するパラメータグラフによるレーザビーム走査経路の上面図である。
【図12】レーザビーム走査経路例の上面図である。
【図13】レーザビーム走査経路例の上面図である。
【図14A】レーザビーム走査経路の上面図及び関連するパラメータグラフである。
【図14B】レーザビーム走査経路の上面図及び関連するパラメータグラフである。
【図15】レーザビーム走査経路の一例の別の上面図である。
【図16】レーザ機器の概略である。
【図17】レーザ加工方法の一例のフローチャートである。
【図18】レーザ加工方法に対応する一連のパラメータグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本出願及び「特許請求の範囲」において使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別途明らかに示されない限り、複数の形態を含む。加えて、用語「含む（includes）」は、「含む（comprises）」を意味する。更に、用語「結合した」は、結合したアイテム間の中間要素の存在を除外しない。
【0014】
本明細書で記載されたシステム、機器、及び方法は、いかなるようにも限定するものと解釈すべきでない。むしろ、本開示は、様々な開示された実施形態の、単独並びに相互の様々な組み合わせ及び部分的組み合わせでの、全ての新規かつ自明でない特徴及び態様に向けられる。開示されたシステム、方法、及び機器は、特定の態様若しくは特徴又はそれらの組み合わせに一切限定されず、また開示されたシステム、方法、及び機器は、１つ若しくは２つ以上の特定の利点が存在すること、又は１つ若しくは２つ以上の特定の問題が解決されることも必要としない。あらゆる動作の理論は、説明を容易にすることができるが、開示されたシステム、方法、及び機器は、そのような動作の理論に限定されない。
【0015】
開示された方法のいくつかの動作は、利便性の良い表示のために特定の順序で説明されているが、下記に説明される特定の言語によって特定の順序が必要とされない限り、この説明の方法が並べ替えを包含することを理解するべきである。例えば、順番に記載された動作は、場合によっては、並べ替えるか又は同時に実行してもよい。更に、簡略化のために、添付図面は、開示されたシステム、方法、及び機器を他のシステム、方法、及び機器と併用できる様々な方法を示さない場合がある。加えて、その説明は時として、「生じさせる」及び「提供する」などの用語を使用して、開示された方法を説明する。これらの用語は、実行される実際の動作の高度な抽象概念である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装に応じて変化することになり、当業者によって認識可能である。
【0016】
いくつかの例において、値、手順、又は機器の、は、「最低の」、「最良の」、「最小の」などと表現される。そのような説明は、多数の用いられる機能的選択肢から選択が行われ得ること、及びそのような選択が、他の選択より良い、小さい、ないしは別の方法で好ましい必要はないことを示すことを意図していることが理解されよう。
【0017】
本明細書で使用されるように、レーザビーム及び関連付けられた光放射とは、約１００ｎｍ～１０μｍ、典型的には約５００ｎｍ～２μｍの波長での電磁放射を指す。利用可能なレーザダイオード光源及び光ファイバに基づく例は、一般的に約８００ｎｍ～１７００ｎｍの波長に関連する。いくつかの例では、伝搬する光放射は、ビーム波長とビーム成形用の光システムとに依存可能な、直径、非対称のファースト軸とスロー軸、ビーム断面積、及びビーム拡がり角を有する１つ又は２つ以上のビームと称される。便宜上、光放射は、いくつかの例では光と称され、可視波長である必要はない。
【0018】
代表的な実施形態は、光ファイバを参照して記載されるが、正方形、長方形、多角形、卵形、楕円形又は他の断面を有する他のタイプの光導波路を用いることもできる。光ファイバは、典型的には、ドープされた（又はドープされていない）シリカ（ガラス）で形成され、所定の屈折率又は屈折率差を提供する。いくつかの例では、ファイバ又は他の導波路は、関心のある波長に応じて、フルオロジルコン酸塩、フッ化アルミン酸、フッ化物又はリン酸ガラス、ガルコゲナイドガラス、あるいはサファイアなどの結晶材料等の、他の材料で作製される。シリカ及びフッ化物ガラスの屈折率は、典型的に約１．５であるが、ガルコゲナイドなどの他の材料の屈折率は３以上であり得る。更に他の例では、光ファイバはプラスチックの部分に形成され得る。典型的な例では、ファイバコアなどのドープされた導波路コアは、ポンピングに応答して光学利得を提供し、コアとクラッドはほぼ同心円にある。別の例では、コアとクラッドのうちの１つ又は２つ以上は偏心し、いくつかの例では、コアとクラッドの方向及び／又は配置は導波路長に沿って変わる。
【0019】
本明細書に記載された例では、光ファイバコアなどの導波路コアは、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｅｒなどの希土類元素又は他の活性ドーパント若しくはそれらの組み合わせでドープされる。そのように能動的にドープされたコアは、光又は他のポンピングに応答して光学利得を提供できる。以下に説明するように、そのような活性ドーパントを有する導波路を用いて、光増幅器を形成することができ、又は反射層、ミラー、ブラッググレーティング、若しくは他のフィードバック機構などの適切な光フィードバックを備える場合、そのような導波路はレーザ放射を生成できる。光ポンプ放射は、放射されたレーザビーム又は増幅されたビームの伝搬方向に対して、導波路に共伝搬及び／又は反伝搬するように配置され得る。
【0020】
「輝度」という用語は、単位面積あたり、立体角あたりの光ビームパワーを指すように本明細書で使用される。いくつかの例において、光ビームパワーは、その立体角がビーム波長及びビーム面積に比例するビームを生じさせる、１つ又は２つ以上のレーザダイオードによって提供される。ビーム面積及びビーム立体角の選択は、選択したポンプビームパワーを、ダブル、トリプル、又は他のマルチクラッド光ファイバの１つ又は２つ以上のコア又はクラッディング層に結合する、ポンプビームを生じさせることができる。「フルエンス」という用語は、単位面積あたりのエネルギーを指すように本明細書で使用される。いくつかの実施形態において、フルエンスは、熱又は別様には走査経路と関連付けられた選択された領域内の標的をレーザ加工するように、走査経路に沿って標的に送達される。走査経路は、直線状、曲線状、繰り返し、セグメント状、その他を含む、様々な形状を有することができる。光学システムによって生じる出力ビームは、走査経路に沿って方向付けられ、また、伝搬方向に対して直角な１つ又は２つ以上の軸に沿って、様々な輝度及び均一特性を有することができる。典型的な出力ビームは、特定の用途に応じて、１００Ｗ、５００Ｗ、１ｋＷ、３ｋＷ、６ｋＷ、１０ｋＷ、又は２０ｋＷ以上の平均ビームパワーを含む、様々な出力パワーを有する連続波である。連続波出力ビームは、本明細書で更に論じられるように、デジタル変調される。
【0021】
図１は、付加製造加工においてレーザ加工ビーム１０４を放射し、標的１０６に方向付けるレーザシステム１０２を含む、機器１００である。標的１０６は、一般に、容器１１０内に位置する微細金属粉末１０８から一層ずつ形成された層である。層がレーザパターン化されると、ｚステージ１１２が容器１１０を下げ、隣接する貯蔵部１１６から追加的な微細金属粉末１０８を提供するローラー１１４によって、微細金属粉末１０８の新しい層が延ばされる。次いで、三次元の物体を形成するために、新しい層がレーザパターン化され、そして、後に続く微細金属粉末層によって加工が多数回を繰り返される。
【0022】
図２Ａでは、走査経路２００の一実施例が示され、付加製造の標的などの標的をレーザパターン化する際に、該走査経路に沿ってレーザ加工ビームが走査される。時間ｔ１において、レーザ加工ビームは、走査速度で、例えば特定の速度で、図２Ａの平面において右側の方向に進行している。時間ｔ２において、レーザ加工ビームが経路の隅部により近い別の位置に到達するにつれて、レーザ加工ビームの走査速度が減少し始める。時間ｔ３において、方向を変化させ、図２Ａの平面において下方に移動するために、レーザ加工ビームが瞬間的に静止するまで減速する。時間ｔ４において、レーザ加工ビームの走査速度が増加し、時間ｔ５において、レーザ加工ビームが時間ｔ１と同じ速度に到達している。
【0023】
走査経路２００の下で、図２Ｂは、速度｜ｖ（ｔ）｜と、走査経路２００の時間ｔ１～ｔ５に対応する時間とのグラフ２０２を示す。見て分かるように、レーザ加工ビームの速度は、ｔ１において初期走査速度を有し、レーザ加工ビームが方向を変化させる時間ｔ３において減少し、そして、ｔ５において、初期走査速度と同じ又は異なり得る最終走査速度まで走査速度を増加させる。グラフ２０２の下で、図２Ｃは、レーザ加工ビームの平均パワーＰ平均（ｔ）と、時間ｔ１～ｔ５及び走査経路２００に対応する時間とのグラフ２０４であり、図２Ｄは、走査経路２００などの走査経路に沿って加工標的によって受光されるフルエンスＥ（ｘ）のグラフ２０６である。典型的なレーザ加工の例において、フルエンスＥ（ｘ）は、一定の閾値Ｆ高、Ｆ低などの２つの閾値の間などの、所定の範囲内にとどまっていなければならない。いくつかの例において、閾値及び対応する所定の範囲は、特徴のサイズ及び形状、加熱速度及び冷却速度などの材料依存の特性、その他などの、様々な要因に応じて変動させること、又は変調することができる。例えば、異なる標的又は同じ標的の異なる部分若しくは領域は、異なる材料特性を有し得る。また、フルエンスウインドウを含む異なる加工ウインドウでは、異なるレーザ加工効果を達成することができる。フルエンスを対応する１つ又は２つ以上の範囲内に維持することによって、レーザエネルギーは、所望の変化を標的に対して行うことができる。例えば、選択的レーザ溶融加工において、過度のフルエンスは、標的に損傷を与え、熱影響域を悪化させ、また、完成した物体の抗張力及び信頼性などの様々なパラメータに影響を及ぼす場合がある。不十分なフルエンスは、標的材料が正しく溶融することを妨げ得るので、完成した物体を弱化させる。レーザ加工中にフルエンスを所定の範囲内に維持することによって、優れた材料特性を有する完成物体を製作することができる。
【0024】
いくつかの実施形態において、フルエンスＥ（ｘ）を所定の範囲内（例えば、Ｆ高とＦ低との間）に維持するために、レーザ加工ビームの平均パワーＰ平均（ｔ）は、走査経路２００に沿ったレーザ加工ビームの走査速度｜ｖ（ｔ）｜の減少などの、ビーム移動情報に対応して減少する。しかしながら、種々の理由から、平均パワーＰ平均（ｔ）の直進の連続的な減少は、達成することができないか、又は効率的な方法で達成することができない。例えば、ミラー及び光学部品などのレーザ走査の構成要素は、レーザパターニング加工が必要とする速度よりも遅い速度で移動させることができ、標的においてＦ高を上回る、又はＦ低を下回るレーザフルエンスをもたらす。いくつかの場合において、レーザ加工ビームを生成するレーザ源の利得媒体のダイナミクスは、レーザ加工ビームのパワーレベルに対して所望される連続又は不連続な変化に、十分迅速に応答しない。
【0025】
グラフ２０６の下で、図２Ｅは、スキャナがスローダイナミクスを有していても、又は他のレーザシステムを欠いていても平均パワーＰ平均（ｔ）の迅速な変化を生じ得る、レーザ加工ビームの変調された電力Ｐ（ｔ）を表す、グラフ２０８である。変調された電力Ｐ（ｔ）は、高電力Ｐ高と低電力Ｐ低とを繰り返し、低電力Ｐ低は、ゼロ又は非ゼロであり得る。変調された電力Ｐ（ｔ）は、可変変調周期Ｔ変調、及びＴ変調のパーセンテージである可変デューティサイクルＰデューティを含む。一般に、レーザ加工ビームの走査と関連付けられた速度が減少したときには、レーザ加工ビームの平均パワーが減少するように、及び標的が受けるフルエンスを所定の範囲内に維持するように、変調周期Ｔ変調及びデューティサイクルＰデューティのうちの１つ又は２つ以上を変化させることができる。いくつかの例では、以前に走査した（繰り返しを含む）走査経路２００の隣接部分に対する走査経路２００の近似性、周囲温度、局所温度、加熱速度及び冷却速度、走査加速度、走査位置、その他などの、走査経路２００と関連付けられた他の情報を使用して、フルエンスＥ（ｘ）を所定の範囲内に維持する。更なる例において、送達されたフルエンス、及びフルエンスを送達するレーザビームのピーク電力は、レーザ加工要件に従う所定の範囲内のままである。特定の実施形態において、微細特徴（マイクロメートル程度）は、より小さい標的細部の形成中に、レーザ加工ビームの走査速度が急速に変化するときにレーザ加工される。いくつかの実施形態において、変調周期Ｔ変調は、ビームを生成するレーザ源の利得媒体の応答ダイナミクス又はレーザ源の他の構成要素に基づいて平均ビームパワーが変化するように変動させることができる。
【0026】
グラフ２０８に示される実施例では、時間ｔ１において、レーザ加工ビームの電力は、電力Ｐ高で一定である。レーザ加工ビームの速度｜ｖ（ｔ）｜が減少すると、レーザ加工ビームが一定電力から変調された電力に変化し、Ｐ高からＰ低に切り換わり、そして、レーザ加工ビームの走査速度の減少と関連付けられた周波数でＰ高に戻る。時間がｔ２及びｔ３に接近するときに、レーザ加工ビームの走査速度｜ｖ（ｔ）｜が減少し続けると、電力変調周波数が増加し、周期Ｔ変調及びデューティサイクルＴ高／Ｔ高＋Ｔ低が減少するが、ここで、Ｔ高は、その間に電力Ｐ高が印加される持続時間であり、Ｔ低は、電力Ｐ低が印加される持続時間である。減少したデューティサイクルは、レーザ加工ビームの平均パワーＰ平均を減少させ、また、レーザ加工フルエンスを所定の範囲内で提供する。したがって、レーザ加工ビームの電力のデジタル変調を調整することによって、標的に対応する所定のフルエンス範囲内のままであるフルエンスを標的において提供することができるように、レーザ加工ビームの平均パワーを調整することができる。図２Ｆのグラフ２１０を更に参照すると、いくつかの実施形態において、レーザ加工ビームは、Ｐ０、Ｐ１、及びＰ２などの２つ以上のパワーレベルに変化させること、又はこれらの間で切り換えること、並びに平均パワー及び関連付けられたフルエンスの迅速な変化を生じさせるようにデジタル変調することができる。更なる実施例において、平均レーザ加工ビームパワーの減少は、パワーレベルがレーザ加工を行うのに適したピーク電力の範囲内であるように、レーザ加工ビームのデジタル変調を調整することによって提供することができる。
【0027】
上で論じたように、所定のフルエンス範囲は、レーザ加工要因に従って変動し得、本明細書の実施例は、フルエンスを可変フルエンス範囲内に維持する、変調された光ビームパワーを生じさせることができる。図２Ｇは、閾値Ｆ１－高、Ｆ１－低を有する第１のフルエンスＦ１から閾値Ｆ２－高、Ｆ２－低を有する第２のフルエンスＦ２まで階段状に変動する標的フルエンスを有する、フルエンスＥステップのグラフ２１２を示す。いくつかの例において、直線状の走査経路などによるレーザ加工ビームの一定走査速度によって、一定周期及びデューティサイクルを有するデジタル変調されたビームは、第１のフルエンスＦ１を提供することができ、変調されていないビームは、第２のフルエンスＦ２を提供することができる。電力のデジタル変調は、第１のフルエンスＦ１と第２のフルエンスＦ２との間のより迅速な移行を可能にすることができる。図２Ｈにおいて、グラフ２１４は、それぞれの高フルエンス限度Ｆ高と低フルエンス限度Ｆ低との間でシヌソイドに従って変動する、所定のフルエンス範囲Ｆ変調を示す。標的に送達されるフルエンスＥ実際は、レーザ加工ビームの光電力のデジタル変調を通して、フルエンス範囲Ｆ変調内に維持することができる。いくつかのレーザ加工の例において、フルエンス変調の周波数は、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、又はそれ以上を含む、比較的高速であり得る。異なる例において、高周波数のフルエンスの振動は、フルエンスの振動位相に依存するか、又は該振動位相から独立している。
【0028】
いくつかの例では、デジタル変調と併用して、アナログ変調を適用して、レーザ加工ビームの平均パワーを変化させることができる。しかしながら、アナログ変調は、典型的に、フルエンスを所定の範囲内に維持するために平均パワーの所望の低減を達成することに対して、より遅い応答時間を有する。加工効率を高めるために、及びスキャナダイナミクスなどの様々なシステム変数にかかわりなくフルエンスを所定のフルエンス範囲内にロバストに維持するために、典型的に、デジタル変調を使用して、又はハイブリッドデジタル／アナログ変調を使用して、フルエンスを所定の範囲内で保つように、レーザ加工ビームの平均パワーを調整し、より迅速な応答を提供する。例えば、図２Ｉを参照すると、グラフ２１６は、アナログコマンド信号Ｐアナログに従って、最小電力Ｐ低１まで減少する電力最大値を有する複数の変調部分を含む、デジタル変調された信号Ｐ変調を示す。レーザ加工ビームに対して命令され、生じさせた実際の平均出力パワーは、平均ビームパワー及びより低い最小電力Ｐ低２のより急速な変化を含み得る経路Ｐ平均のトレースを含むことができる。
【0029】
図３は、レーザ加工ビームに結合されたスキャナと関連付けられた集束位置Ｚに関するレーザ加工ビームのフルエンスＦ（ｚ）のグラフである。全般に、フルエンスＦ（ｚ）は、フルエンスＦ最大における最大値であり、該最大値において、レーザ加工ビームは、レーザ加工ビームの伝搬の方向において最良の集束位置Ｚ最良となる。レーザ加工ビームの集束距離がＺ最良から増加又は減少するにつれて、レーザ加工ビームを効果的に脱集束させ、レーザ加工ビームが拡大し、脱集束するにつれて、新しい集束位置と関連付けられたフルエンスが減少する。レーザ加工中には、一般に、例えば、レーザ加工が標的において対応する変化を生じさせることができるように、脱集束を集束位置Ｚ低とＺ高との間に抑制又は制御することによって、レーザ加工ビームのフルエンスＦ（ｚ）がフルエンス限度Ｆ高及びＦ低以内にとどまることが望ましい。フルエンス限度は、可変であり得るが、典型的な例において、フルエンス限度は、固定される。いくつかの実施形態では、３Ｄスキャナを使用して、大きいパターン加工領域上で、標的において、Ｆθレンズ又は他の走査光学部品よりも平坦な集束フィールドの湾曲を有するレーザ加工ビームを走査することができる。したがって、標的において走査されるレーザ加工ビームによって送達されるフルエンスは、フルエンス限度Ｆ高、Ｆ低以内に維持される可能性がより高くなり、又はより容易に維持される。
【0030】
図４において、機器４００は、レーザ加工ビーム４０４を放射するように位置させたレーザ源４０２を含む。レーザコントローラ４０６は、変調された電力を含むレーザ加工ビーム４０４の電力を制御するために、レーザ源４０２に結合される。３Ｄスキャナ４０８は、レーザ加工ビーム４０４を受光し、レーザ加工ビームを標的４１０に方向付けるように位置される。３Ｄキャナ４０８によって、レーザ加工ビーム４０４は、一般に、標的４１０の平坦面と平行に整列される集束面４１２内に集束させられる。しかしながら、いくつかの例において、３Ｄスキャナ４０８は、不均一な標的面に対応することができる非平坦な集束フィールドを提供するように、集束位置を変動させることを可能にする。典型的な例において、３Ｄスキャナ４０８は、ＸＹガルバノメーター走査ミラーセットと、ガルボ走査ミラーの位置に基づいて集束面４１２におけるビームの集束位置を変化させるＺ位置集束群とを含む。機器４００はまた、コリメートされた入力直径Ｄ０を有するレーザ加工ビーム４０４を受光し、ビーム幅を調整するように位置させたズームビームエキスパンダ４１４も含み、よって、ズームビームエキスパンダ４１４を出るレーザ加工ビームは、レーザ加工ビームの伝搬経路に対して直角な１つ又は２つ以上の方向に沿って、同じ又は異なるコリメートされた直径Ｄ１を有する。コリメートされた直径Ｄ１を有するレーザ加工ビーム４０４は、３Ｄスキャナ４０８によって受光され、そして、標的４１０においてスポットサイズＷ１で走査され、集束される。ズームビームエキスパンダ４１４はまた、コリメートされた直径Ｄ１よりも小さいコリメートされた直径Ｄ２を有するように、レーザ加工ビーム４０４を調整することもできる。より小さいコリメートされた直径Ｄ２は、３Ｄスキャナによって受光され、そして、標的において、より小さいコリメートされた直径Ｄ２に起因してスポットサイズＷ１よりも大きいスポットサイズＷ２で走査され、集束される。
【0031】
ズームビームエキスパンダ４１４は、様々な方式で構築することができる。典型的な例において（及び図４に示されるように）、ズームビームエキスパンダ４１４は、レーザ源４０２からレーザ加工ビーム４０４を受光するように固定され、位置させた一組の入口光学部品群４１６を含む。一組の出口光学部品群４１８は、入口光学部品群４１６から拡大されたビームを受光し、出口光学部品群４１８のうちの１つ又は２つ以上の光学部品の光軸に沿った移動を通して、ズームビームエキスパンダ４１４から放射されるレーザ加工ビーム４０４の直径を増加又は減少させるように位置される。レーザ加工ビーム４０４のコリメートされた直径を変化させるための制御された移動を提供するために、ズームビームエキスパンダ４１４は、レーザコントローラ４０６に結合される。３Ｄスキャナ４０８に光学的に結合されるレーザ加工ビーム４０４の直径を制御可能に拡大することによって、様々な効果のために、スポットサイズの管理された変動を標的において提供することができる。
【0032】
典型的な例では、ズームビームエキスパンダ４１４によって生じさせた異なるスポットサイズを使用して、標的４１０において様々なサイズ及び形状の特徴をレーザ加工する。いくつかの例では、可変走査速度に関連してスポットサイズを変動させることによって、所定のフルエンス範囲内のフルエンスを標的が受光するように、レーザ加工ビーム４０４は、標的４１０において、走査経路に沿って可変走査速度で走査される。更なる例において、より大きい特徴は、より大きいスポットサイズを有する、例えばスポットサイズＷ２及び一定のレーザ加工ビームパワーを有するレーザ加工ビーム４０４によってレーザ加工され、より小さい特徴は、より小さいスポットサイズを有する、例えばより小さいスポットサイズＷ１及び典型的により小さいデジタル変調されたレーザ加工ビームパワーを有するレーザ加工ビーム４０４によってレーザ加工される。レーザ加工ビームパワーをデジタル変調することによって、レーザ加工は、ビームパワーのアナログ変調を回避すること、又は任意選択にすることができ、標的に送達されるフルエンスは、スポットサイズの変化が生じたときのレーザ加工について、所定のフルエンス範囲内に維持することができる。
【0033】
図５は、レーザコントローラ５０４によって制御され、コリメートされたレーザビーム５０６を生じさせるように配置されたレーザ源５０２を含む、別の機器５００を示す。ズームビームエキスパンダ５０８は、コリメートされたレーザビーム５０６を受光し、その直径を変化させて、拡大されたビーム５０７を生じさせるように位置される。３Ｄスキャナ５１０は、ズームビームエキスパンダ５０８から拡大されたビーム５０７を受光し、標的５１２において、拡大されたビーム５０７を様々な位置Ｓ１～Ｓ３のスポットに集束させるように位置される。３Ｄスキャナ５１０は、典型的に、拡大されたビーム５０７を受光し、集束させる可変位置集束光学部品５１４と、集束させたビームを受光し、集束させたビームを標的５１２と整列させた（典型的に、集束面内の）特定の位置に、例えば所定のＸ－Ｙ座標に位置付ける一対のガルボ制御走査ミラー５１６とを含む。標的５１２のレーザビームスポットの位置は、３Ｄスキャナ５１０と関連付けられた走査フィールド全体にわたって変動させることができる。Ｆθレンズなどの固定集束光学部品を使用するスキャナにおいて、Ｆθレンズの集束位置と関連付けられたフィールド湾曲５１８は、典型的に、曲線状である。したがって、位置Ｓ１及びＳ３などの、走査フィールドの周囲に向かう位置ＳＮにおいて集束させたレーザビームの場合は、典型的に、脱集束が生じる。そのような脱集束は、標的５１２によって受光されるフルエンスを低減させ得るので、フルエンスが所定の範囲を外れ、走査フィールド全体にわたる不均等な加熱及び不均等な加工が生じ得る。３Ｄスキャナ５１０の可変位置集束光学部品５１４（１つ又は２つ以上のレンズ、ミラー、回折光学要素、その他を含むことができる）は、３Ｄスキャナ５１０のフィールド内のスポットのＸ－Ｙ位置に関連するスポットの焦点位置の変化を可能にする。したがって、３Ｄスキャナと関連付けられたフィールド湾曲が他のシステムよりも平坦であるように、スポットの焦点位置に対して細かい調整を行うことができる。三次元スキャナ５１０は、標的において、コリメートされたレーザビーム５０６を走査し、集束させるためのパターンデータに対応する走査及び集束信号を受信するように、レーザコントローラ５０４に結合される。パターンデータは、レーザコントローラ５０４に記憶することができ、又は外部ソースから受信することができる。
【0034】
図６において、標的をレーザ処理する方法６００は、６０２において、レーザビームの走査経路を提供することと、６０４において、標的におけるレーザビームのスポットサイズを選択することとを含む。例えば、レーザビームの走査経路は、標的全体にわたって走査されるべきレーザビームの位置に関連するデータを含むレーザパターンファイルを、レーザコントローラに提供することができる。レーザビームの走査経路はまた、レーザコントローラ又はレーザスキャナによる走査経路信号の受信が、標的におけるレーザビームの走査と同時に、又は該走査に近い時間関係で生じるように、レーザコントローラにリアルタイムで提供することもできる。６０６において、レーザビームの走査経路、及びレーザビームのスポットサイズ、及び標的のレーザ加工と関連付けられたレーザビームのフルエンス範囲に基づいて、レーザビームの平均パワーが決定される。６０８において、レーザビームを生じさせる活性媒体に結合された１つ又は２つ以上のレーザポンプ源のデジタル変調を通して、レーザビームの電力がデジタル変調される。デジタル変調されたレーザビームは、６０６において決定された平均パワーに対応し、走査経路及びスポットサイズに基づいて大幅に変化させることができる。６１０において、レーザビームは、６０２において提供される走査経路に沿って方向付けられる。更なる例において、平均パワーは、走査経路について決定され、レーザビームのスポットサイズは、決定された平均パワーに対応するように変動される。更なる例では、デジタル変調及び可変スポットサイズの双方を使用して、所定のフルエンス範囲に対応するように平均パワーを提供する。
【0035】
図７において、レーザシステム７００は、標的７０２において、フルエンスの正確な制御によって標的７０２をレーザパターニングするように位置される。レーザシステム７００は、電圧制御されたＡＣ／ＤＣ電源又は電源に結合された電圧調整器などのポンプ駆動装置７０６、及びレーザスキャナ７０８に結合された、レーザコントローラ７０４を含む。ポンプ駆動装置７０６は、電圧及び電流のうちの１つ又は２つ以上に基づいて、ポンプダイオード７１０を駆動する。ポンプダイオード７１０は、活性ファイバ７１２などのレーザ利得媒体に結合され、該レーザ利得媒体は、ポンプダイオード７１０からのエネルギーを使用して、レーザシステムビーム７１４を生成する。レーザシステムビーム７１４の伝搬方向に対して直角な１つ又は２つ以上の軸に沿って、標的７０２において、同じ平面内のレーザシステムのビーム７１４の集束させたスポットのサイズを変化させるために、レーザシステムビーム７１４は、ズームビームエキスパンダ７１６を出るレーザシステムビーム７１４のコリメートされた幅を変化させることができるズームビームエキスパンダ７１６によって受光される。走査経路７１５に沿って、パターンを加工し、レーザ加工と関連付けられた所定の範囲内でレーザフルエンスを付与するために、レーザスキャナ７０８は、ズームビームエキスパンダ７１６から、選択されたコリメートされたビーム幅を有するレーザシステムビーム７１４を受光し、レーザシステムビーム７１６を標的７０２に方向付ける。
【0036】
いくつかの例において、レーザコントローラ７０４は、レーザシステムビーム７１４の第１の状態及び第２の状態の条件をコントローラ７０４に提供し、標的７０２上に形成されるパターンと関連付けることができるゲート信号７１８に結合される。例えば、ゲート信号７１８は、オン及びオフの条件を提供するレーザパターニングデータファイル７２０に対応することができ、よって、レーザシステムビーム７１４が走査されるときに、様々な特徴を標的７０２上の他の特徴から隔離又は離間させることができ、また、複雑な特徴を形成することができる。レーザコントローラ７０４は、ゲート制御７２２を含み、該ゲート制御は、ゲート制御信号をポンプ駆動装置７０６に通信し、よって、ポンプダイオード７１０がエネルギー付与されて、ゲート信号と関連付けられたオン及びオフに対応するように活性ファイバ７１２をポンプする。レーザパターニングデータファイル７２０はまた、レーザシステムビーム７１４が標的７０２において走査されるための、走査位置データなどの様々なベクトルデータも提供することができる。レーザコントローラ７０４は、レーザスキャナ７０８に結合されるが、他の例において、レーザパターニングデータファイル７２０は、レーザスキャナ７０８に直接結合することができる。様々な接続は、有線又は無線とすることができ、ファイルデータは、揮発性又は不揮発性メモリに記憶することができる。更なる例において、ゲート信号のゲートコマンドは、レーザコントローラ７０４のメモリに記憶される。
【0037】
標的７０２に送達されるレーザフルエンスを所定の範囲内に維持するために、レーザコントローラ７０４は、変調周期制御７２６、デューティサイクル変調制御７２８、及びアナログ変調周波数制御７３０に結合されたフルエンス設定点７２４を含み、これらはまた、ポンプ駆動装置７０６にも結合される。変調周期制御７２６は、ポンプダイオード７１０のデジタル変調周期を調整するように位置される。例えば、ポンプダイオードの光電力出力は、より遅い周波数及び対応する周期から、より速い周波数及び対応する周期まで（例えば、１０ｋＨｚから、１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚ、又はそれ以上まで）増加させることができ、又は連続オン状態（例えば、０ｋＨｚ）から増加させることができ、よって、レーザシステムビーム７１４と関連付けられた電力が、２つ以上のパワーレベルを交替するか、又はより迅速に交替する（例えば、１０ｋＨｚが、１０Ｗと５００Ｗとの間で交替する）。
【0038】
デューティサイクル制御７２８は、ポンプダイオード７１０の電力デューティサイクルを調整するように位置される。デューティサイクルは、９０％超から１０％未満の範囲とすることができ、また、変調周期に関連して変動させることができる。選択されたデューティサイクルは、典型的に、レーザ加工ビーム平均パワーを所望のレベルに維持するために、選択された変調周期のレーザ加工ビームの立ち上がり及び立ち下がり時間に関連して適切な量のレーザ加工ビームエネルギーを生成することができるように、十分に大きい。いくつかの例では、レーザ加工ビーム平均パワーの対応する低減を生じるように、固定変調周期が選択され、デューティサイクルを１００％から１０％未満まで変動させる。更なる例では、レーザ加工ビーム平均パワーの低減に対応するように、変調周期を減少させ、また、デューティサイクルを減少させ、よって、走査速度との変化と関連付けられた微細な細部をレーザ加工ビームによって形成することができる。
【0039】
変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８は、標的においてレーザシステムビーム７１４の平均パワーを低減又は変動させるために、フルエンス設定点７２４に基づいて、変調の変化を生じさせることができる。いくつかの実施形態において、平均パワーの減少は、標的７０２におけるレーザシステムビーム７１４のスポットのサイズの減少、又は標的７０２に対して走査されているレーザシステムビーム７１４の、走査速度の減少又は走査方向の変化などの、ビーム走査速度の変化と関連付けることができる。レーザシステムビーム７１４の電力は、コントローラ７０４に結合されている検出された電力の対応する信号で、活性ファイバ７１２などの１つ又は２つ以上のシステム構成要素に結合された電力検出器７３２によって検出することができる。レーザシステムビーム７１４の検出された電力は、一般的な監視、緊急遮断、その他のために使用することができ、更に、該電力を使用して、レーザ加工中に、レーザフルエンスが、１つ又は２つ以上の閾値、限度、許容度、その他の範囲内のままであるか、それを上回っているか、下回っているかを判定する際に支援することができる。例えば、検出された電力は、特定のデジタル変調設定及び変調周期制御７２６に基づいて算出された平均パワーと比較することができ、デューティサイクル制御７２８は、変調周期及びデューティサイクルをスケーリング又は調整して、フルエンス設定点７２４に対応する平均パワーを有するレーザシステムビーム７１４を生じさせることができる。例えば、レーザシステム７００は、異なる種類のレーザスキャナ、ポンプダイオード、活性ファイバ、その他に結合させることができ、これらはそれぞれ、レーザシステム７００のダイナミクスに、及びデジタル変調調整がフルエンス付与に影響を及ぼす範囲に、影響を及ぼし得る。
【0040】
いくつかの例において、フルエンス設定点７２４に基づいて調整されるデジタル変調周期及びデューティサイクルは、ゲート信号７１８をレーザコントローラ７０４に結合する前に、ゲート信号７１８によって定義することができる。更なる実施形態において、パターンファイル７２０は、コントローラ７０４に結合させることができ、ゲート信号７２２は、外部に提供する必要はない。追加的な実施形態において、アナログ変調制御７３０はまた、それを変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８と組み合わせることによって、標的７０２におけるレーザフルエンスを維持する際に支援するためにも使用される。典型的に、レーザシステムビーム７１４の出力パワーのアナログ変調は、単独では遅すぎるので、標的７０２において、送達されたレーザフルエンスをフルエンス設定点７２４と関連付けられた所定の範囲内に維持すること、又はレーザ加工のフルエンス要件を維持することができない。典型的に、維持ができないことは、コントローラ７０４の電子機器又はポンプダイオード７１０及び活性ファイバ７１２のダイナミクスと関連付けることができる。しかしながら、ズームビームエキスパンダ７１６及びレーザスキャナ７０８のダイナミクスも変動し得る。したがって、変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８を使用してポンプダイオード７１０をデジタル変調することによって、レーザシステム７００の様々な構成要素の間で、遅い又は一貫していないダイナミクスを有する場合であっても、標的７０２に送達されるレーザフルエンスを所定の範囲内に維持することができる。いくつかの例において、変調周期制御７２６、デューティサイクル制御３２８、及びアナログ変調制御７３０からの、レーザフルエンスに対する複合効果は、フルエンスを所望のレベルに好都合に維持することができる。
【0041】
更なる例において、変調周期制御７２６はまた、レーザ走査経路７１５と関連付けられたパターンファイル７２０又は他のデータに基づいて、変調周期を調整することもできる。互いに近接する多数の特徴などの微細な特徴が生じる標的７０２と関連付けられたパターンにおいて、総熱負荷は、隣接する、又は繰り返した特徴のレーザ加工フルエンス閾値に影響を及ぼし得る。変調周期制御７２６及びデューティサイクル制御７２８は、標的７０２に送達された熱負荷、標的７０２の１つ又は２つ以上の部分と関連付けられた予測若しくは測定された温度、又は標的７０２の１つ又は２つ以上の領域におけるレーザシステムビーム７１４の停滞時間、その他に基づいて、レーザシステムビーム７１４の電力を調整することができる。例えば、レーザシステムビーム７１４は、レーザ走査経路７１５における標的７０２に対する第１の走査移動の変化（例えば、レーザシステムビーム７１４の第１の転向）を通してデジタル変調することができ、また、第１の転向に近接する第２の転向中に、レーザシステム７１４の平均パワーをより大きい程度まで低減させるようにデジタル変調することができる。
【0042】
図８において、レーザシステム８００は、アナログ入力８０４においてアナログ信号を受信し、と、ゲート入力８０６においてゲート信号を受信し、また、フルエンス変調入力８０８においてのフルエンス変調信号を受信するように位置させたコントローラ８０２を含む。コントローラ８０２は、典型的に、ゲート信号を使用して、典型的にレーザポンプダイオード８１２に供給される駆動電流を変動させることによって、電源８１０によってレーザポンプダイオード８１２に提供される電力を変調又は変動させる。レーザポンプダイオード８１２は、ドープファイバ８１４、又はレーザシステムビーム８１６を生成する他のレーザ利得媒体に光学的に結合される。レーザシステムビーム８１６のパワーは、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）標的８１８の不連続部分の加工の間を減少させるように、ゲート信号の変調に対応して増加及び／又は減少させることができる。立ち上がり－立ち下がり回路８２０は、コントローラ８０２及びポンプダイオード８１２に結合されて、電源８１０によってポンプダイオード８１２に提供されるポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を制御する。ポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を制御することによって、ポンプダイオード８１２によって生成される１つ又は２つ以上のポンプビーム８２２の関連付けられた立ち上がり時間、立ち下がり時間、オーバーシュート、及びアンダーシュートを選択することができる。いくつかの例において、ポンプビーム８２２の適切な応答時間は、ポンプダイオードの信頼性とバランスさせることができる。ドープファイバ８１４によって生成されるレーザシステムビーム８１６もまた、ＳＬＭ標的８１８においてレーザスキャナ８２６を通して同じ平面内に集束されるレーザシステムビーム８１４のスポットサイズを変化させるように位置させたズームビームエキスパンダ８２４に結合される。立ち上がり時間は、典型的に、ある定常状態値の選択部分から別の定常状態値の選択部分まで、例えば２％から９８％まで、５％から９５％まで、１０％から９０％まで、１％から９５％まで、その他に立ち上げるために、レーザビームパワーなどのパラメータに必要とされる持続時間として定義される。立ち下がり時間は、同様に、定常状態値から立ち下がるための持続時間として定義することができる。初期値又は定常状態立ち下がり値は、ゼロ又は非ゼロとすることができる。オーバーシュート及びアンダーシュートは、定常状態値のパーセンテージとして定義することができる。
【0043】
また、フルエンス変調信号を使用して、レーザシステムビームパワーを、ゲート信号と関連付けられた同じ又は異なるパワーレベルに変調させること、変動させること、又は制御することもできる。フルエンス変調信号を使用して、ＳＬＭ標的８１８においてレーザスキャナ８２６によって走査されているレーザシステムビーム８１６の可変速度に対応してレーザシステムビーム８１６の平均パワーが変動されるように、ポンプダイオード８１２のポンプ電流をデジタル変調することができる。例えば、同じ期間にわたるデジタル変調周期の減少又はデューティサイクルの低減は、レーザシステムビーム８１６の平均パワーの急速な低減を生じさせ得る。走査経路に沿って走査するレーザシステムビーム８１６の可変速度、又はビームエキスパンダ８２４によるレーザシステムビーム８１６のスポットサイズの変化は、ＳＬＭ標的８１８において、完成品の適合性に悪影響を及ぼし得る望ましくないフルエンス変動を生じさせ得るが、フルエンス変調信号を使用して、フルエンス変動を補償することができる。また、フルエンス変調信号を使用して、ズームビームエキスパンダ８２４によって生じた異なるスポットサイズに対応するようレーザシステムビーム８１６のパワーを調整するように、ポンプ電流をデジタル変調することもできる。いくつかの実施形態において、フルエンス変調信号及びゲート信号は、共通入力を通して提供することができる。更なる実施形態において、フルエンス変調信号を使用して、レーザシステムビーム８１４の平均パワーを調整するように、ズームビームエキスパンダ８２４によってレーザシステムビーム８１４のスポットサイズを変調又は変動させることができる。例えば、スポットサイズは、レーザシステムビーム８１６の走査速度の変動に対応する、異なるサイズに変動させることができる。また、スポットサイズを変調して、異なる変調周期及びデューティサイクルを有する２つ以上の異なるサイズを繰り返して、レーザシステムビーム８１６の平均パワーを変化させることができる。
【0044】
図９は、１つ又は２つ以上のポンプモジュール９０４において直列的に位置させた（典型的にいくつかの）１つ又は２つ以上のポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの光出力９０１Ａ、９０１Ｂを制御する、レーザポンプ制御装置システム９００を示す。光出力９０１Ａ、９０１Ｂを使用して、いわゆるダイレクトダイオードレーザシステムなどのレーザシステムにおいて、レーザシステム処理ビームを直接生じさせること、又はレーザシステム加工ビーム（例えば、ファイバレーザ、固体レーザ、ディスクレーザ、その他）を生じさせるために他の利得媒体をポンプすることができる。ＡＣ／ＤＣ電源９０６は、光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生じさせるために、電流をポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂに提供する。ＦＰＧＡ ９０８又は他の類似するコントローラデバイス（例えば、ＰＬＣ、ＰＬＤ、ＣＰＬＤ、ＰＡＬ、ＡＳＩＣ、その他）は、ＤＡＣ ９１０へのデジタル出力９０９を生じさせるように位置され、該デジタル出力は、対応するポンプダイオード光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生成するように、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの所望のポンプ電流に対応する。ＤＡＣ ９１０は、ＦＰＧＡからのデジタル出力を、対応する電圧を有し、また、ポンプ電流を生成するためにＡＣ／ＤＣ電源９０６によって受信されるＤＡＣ出力９１１Ａに変換する。
【0045】
複数の追加的なＤＡＣ出力９１１Ｂ～９１１Ｄは、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂによって受信されるポンプ電流の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を選択するように位置させた信号マルチプレクサ９１２に結合される。信号マルチプレクサ９１２は、ＲＣ回路キャパシタＣ、及びポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂからの光出力９０１Ａ、９０１Ｂを生成するポンプ電流を制御するように位置させた１つ又は２つ以上の電流制御回路９１４に結合される。例えば、ＤＡＣ出力９１１Ｂに結合された抵抗器ＲＢは、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂのより長いポンプ電流立ち上がり時間と関連付けることができ、抵抗器ＲＣは、より短いポンプ電流立ち上がり時間と関連付けることができ、抵抗器ＲＤは、適切なポンプ電流立ち下がり時間と関連付けることができる。立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、典型的に、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂにおいて非対称であり、よって、立ち上がり及び立ち下がりと関連付けられた異なる選択可能な抵抗値を有し、また、抑制されたオーバーシュート又はアンダーシュートを有するより短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間などの向上した応答を生じる。いくつかの例では、デジタル変調によっても変動させることができ、また、向上した立ち上がり時間、立ち下がり時間、オーバーシュート、及びアンダーシュート光応答特性を生じる、調整可能な抵抗値を可能にするように、デジポットなどの可変抵抗器が使用される。シリアルバス９１６は、異なる立ち上がり時間と立ち下がり時間との間で切り換え、ポンプ電流をデジタル変調するように、デジタル変調コマンドを、ＦＰＧＡ ９０８からマルチプレクサ９１２に通信することができる。
【0046】
電流制御回路９１４は、電流検知抵抗器９１７に結合された１つ又は２つ以上のＦＥＴ ９１５と、制御フィードバックを提供し、ＦＰＧＡ ９０８から現在の設定点を受信する１つ又は２つ以上の演算増幅器９１９とを含むことができる。複数の電流制御回路９１４を並列的に含むことで、電流制御回路９１７のそれぞれのＦＥＴ ９１５全体にわたる熱を拡散及び消散させて、電流制御の精度及び信頼性を向上させることができる。典型的な例において、ポンプダイオード９０２Ａは、ポンプダイオード９０２Ｂと異なる順電圧を有する。したがって、ＦＥＴ全体にわたる電圧降下は、一連のポンプダイオードの間で変動することになる。ＡＣ／ＤＣ電源９０６は、一定の又は一貫した熱放散に対応する適切なＦＥＴ電圧を維持するように位置させることができる。ＦＥＴ ９１５全体にわたる熱放散が分割され、制限されるので、電流制御回路９１４の関連付けられた電子効率及び信頼性が向上する。更に、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂの光出力９０１Ａ、９０１Ｂの全体的な応答時間に寄与する電流制御回路９１７の電流制御応答特性が向上し、抵抗器ＲＢ、ＲＣ、ＲＤ、及びより高いデジタル変調周波数と関連付けられた、より短い立ち上がり時間及び立ち下がり時間を可能にする。並列の電流制御回路９１４によって電流を割り当てることはまた、より正確である電流検知抵抗器９１７の電流センサの抵抗器値の選択も可能にし、電流制御回路９１４及び光出力９０１Ａ、９０１Ｂの応答特性を更に向上させる。ＤＡＣ ９１０からの高速サンプリングレートによって、及び電流制御回路９１４の向上した応答特性によって、レーザダイオードの電流を高速に切り換える又は変動させることができる。いくつかの例では、１００μｓ、５０μｓ、２０μｓ、１０μｓ、又は５μｓ未満などの短い変調周期を含む、５０μｓ、２０μｓ、１０μｓ、５μｓ、又は２．５μｓ以下の光出力９０１Ａ、９０１Ｂの立ち上がり時間及び立ち下がり時間が達成される。
【0047】
いくつかの実施形態において、ＦＰＧＡ ９０８は、信号調整器及びＡＤＣ（図示せず）を通過した外部源からのアナログ入力９１８から、アナログ信号を受信する。自動化システム、コンピュータ、コンピュータメモリ若しくはデータファイル、手動制御、グラフィカルユーザインターフェースの入力、その他などの外部源は、所望のレーザシステムパワーレベルに基づいて、アナログ信号を提供するように構成される。次いで、所望のレーザシステムパワーレベルを達成するために、レーザシステムを光出力９０１Ａ、９０１Ｂによってポンプすることができる。ＦＰＧＡ ９０８はまた、アナログ信号及びアナログ信号を提供する外部源と関連付けることができるゲート入力９２０から、ゲート信号を受信することもできる。ゲート信号は、対応するレーザシステムビームをオン及びオフするように、典型的に、デジタルであり、また、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂのオン及びオフコマンドを提供するように構成することができる。また、ゲート信号及びアナログ信号を使用して、光出力９０１Ａ、９０１Ｂの任意の波形を生じさせることもできる。典型的な例において、アナログ信号及びゲート信号は、レーザシステムビームが標的全体にわたって走査されて、異なるパワーレベル及び標的の異なる場所で標的の材料を選択的に加熱し、加工するようにする協調される。パルスプロファイル信号入力９２２からのパルスプロファイルはまた、外部源を提供して、ポンプダイオード９０２Ａ、９０２Ｂから生成されるレーザシステムビームの様々な特徴を選択するように、ＦＰＧＡ ９０８に結合させることもできる。パルスプロファイル情報は、ローカル又はリモートにメモリに記憶することができ、又は外部源からの信号として提供することができる。例えば、レーザシステムビームの繰り返し速度、パワーレベル、その他と共に、異なる立ち上がり時間及び立ち下がり時間をポンプ電流について選択することができる。
【0048】
フルエンス変調信号は、フルエンス変調入力９２４から受信され、該フルエンス変調入力はまた、ＦＰＧＡ ９０８にも結合され、また、アナログ信号、ゲート信号、及びパルスプロファイルと協調させることもでき、又は別個とすることができる。フルエンス変調信号は、標的に送達されているレーザシステムビームと関連付けられたフルエンスの逸脱を修正するために提供することができる。例えば、アナログ入力は、例えば典型的に高周波アナログ信号と関連付けられたノイズの増加のため、制限された帯域幅を有する場合があり、又は帯域幅は、スキャナなどの他のレーザシステム構成要素、又は行われているレーザ加工のダイナミクスに関連して適切でない場合がある。光出力９０１Ａ、９０１Ｂによって生じたレーザシステムビームによるレーザ処理中に、標的において所望のフルエンスを達成するために、ポンプ電流をデジタル変調することによって、フルエンス変調信号を使用して、帯域幅が制限されたアナログ信号又は対応する帯域幅が制限されたレーザシステムの性能を補償することができる。例えば、走査速度が減少したときに、フルエンス変調信号は、ＦＰＧＡ ９０８によって受信することができ、ＦＰＧＡ ９０８は、標的における所望のフルエンスの修正を生じさせるように、シリアルバス９１６を通じてマルチプレクサ９１２を方向付けて、変調させることができる。
【0049】
変調例
いくつかの例では、選択的に溶融及び融合させた粉末の連続する層を有する三次元物体を構築するように、レーザビームを標的に方向付けて、粉末ベッド内の金属粉末を選択的に溶融及び融合させる。選択的な溶融加工の間に、物質相の動的変動は、材料の小球及び粒子凝集体のランダムな排出を含む不安定な材料挙動を生じさせることができる。本明細書における種々の技術を使用し、物質相の変動を識別及び制御して、材料の排出を低減し、物体特性、例えば、合金組成、粒の形状、表面テクスチャ、並びに耐久力及び弾性などの機械的応答を改善することができる。
いくつかの例では、選択的に溶融及び融合させた粉末の連続する層を有する三次元物体を構築するように、レーザビームを標的に方向付けて、粉末ベッド内の金属粉末を選択的に溶融及び融合させる。選択的な溶融加工の間に、物質相の動的変動は、材料の小球及び粒子凝集体のランダムな排出を含む不安定な材料挙動を生じさせることができる。本明細書における種々の技術を使用し、物質相の変動を識別及び制御して、材料の排出を低減し、物体特性、例えば、合金組成、粒の形状、表面テクスチャ、並びに耐久力及び弾性などの機械的応答を改善することができる。
【0050】
図１０Ａ及び図１０Ｂに示される一例では、レーザビーム１０００は、金属粉末、例えば、粉末状アルミニウム、鉄、炭素、クロム、スズ、又は選択的溶融に関連付けられた他の元素のうちの１つ以上を含む標的１００２に方向付けられている。レーザビーム１００２は、走査経路１００６に沿って走査方向１００４に移動し、標的１００２の表面１０１０又はその近傍の焦点に円形スポット１００８を形成する。スポット１００８のエッジは、都合に応じて１／ｅ、１／ｅ２、全幅半分最大などに基づいて画定することができ、ゼロ強度値を描画する必要はない。四角形、長方形、楕円などを含む他のスポット形状を使用することができ、種々の強度プロファイルは、レーザ源のタイプ、及びガウス、スーパーガウス、トップハット、ローブ、対称、非対称、マスクなどを含む使用されるビーム成形光学部品に基づいて実現される。スポット１００８のサイズを、レーザ源の利用可能な輝度及び標的１００２と集束光学部品との間の作動距離に基づいて必要に応じて選択することができる。レーザビーム１００２の平均連続波の電力は、融点及び潜在的熱収縮を含む種々の材料特性、並びに周囲温度及び圧力などの種々の環境特性に基づいて選択することができる。
【0051】
レーザビーム１００２は走査経路１００６に沿って横切るので、レーザビーム１００２が表面１０１０に対して新しい位置に走査された後に、溶融プール１０１２がスポット１００８に作製されて、短期間とどまることができる。溶融プール１０１２が冷却固化した後、選択的に溶融及び融合させた物体に対応する融合部分１０１４が形成される。選択的溶融の間、スポット１００８におけるレーザビーム１００２の大きな光強度は、粉末材料を沸騰させて、プラズマを形成するのに十分であり得る。溶融プール１０１２は、融合して固体材料を形成することができ、沸騰気相粉末及びプラズマ状態の粉末と混合（commixed）することができ、溶融プール１０１２に関連付けられた不安定性、及び種々の物質相の粉末材料の排出された小球１０１６内の不安定性をもたらす。
【0052】
いくつかの例では、平均小球径及び半径方向に依存する排出密度などの観察可能な特性を有し得る、排出された小球１０１６の排出パターン１０１８ａ、１０１８ｂが形成される。更なる例では、溶融プール１０１２及び排出された小球１０１６は、放射特性、透過特性、反射特性、スペクトル特性、及び散乱特性を含む検出可能な光学特性を有することができる。追加の例では、蒸気圧などの１つ以上の粉末特性を溶融プール１０１２及び排出された小球１０１６の１つ以上の特性に関連付けることができ、粉末特性を、排出パターン１０１８ａ、１０１８ｂの形成などの選択的溶融加工の有害な側面を減衰させ得るように、レーザビーム１００２の特性の制御された変調によって決定し変化させることができる。レーザビームの変調も、排出パターン１０１８ａ、１０１８ｂ、溶融プール１０１２、又は排出された小球１０１６の検出された特性に基づいて適用し変化させることができる。利便性のために、融合部分１０１４は、走査経路１００６を横切るスポット１００８のエッジに対応するエッジ１０２０ａ、１０２０ｂと共に示される。種々の例では、エッジ１０２０ａ、１０２０ｂは、スポット１００８から離間し得る。
【0053】
図１１は、選択的レーザ溶融標的１１０４を挟んで（及び／又は代替的に左に移動する標的１１０４と共に）図１１の平面の右に移動するレーザビーム１１０２の走査経路１１００を示す。レーザビーム１１０２は、標的１１０４の金属粉末材料を溶融させるスポット１１０６を形成し、レーザビーム１１０２が走査されるにつれて、スポット１１０６よりも大きな溶融プール１１０８を形成する。溶融プール１１０８が冷却されると融合部分１１１０が形成され、溶融及び融合加工の間に、液体粉末が標的１１０４から飛散し排出されて、排出パターン１１１４ａ、１１１４ｂの形態の排出沈殿物１１１２を形成する。走査経路１１００の平面図の上は、レーザビーム１１０２が一定の走査速度でｘ方向に伝播するときのレーザビーム１１０２の電力のグラフ１１１６である。位置ｘ１（又は対応する時間）で、レーザビーム１１０２の電力は、レーザビームの電力がＰ高である変調周期Ｔ変調の部分Ｔ高及び電力がＰ低である部分Ｔ低を画定する選択されたデューティサイクルＰデューティを有する変調周期Ｔ変調に従って、２つの電力Ｐ高、Ｐ低間を変調し始める。また、平面図の上には、走査経路１１００に沿った排出パターン１１１４ａの平均密度１１２０を示すグラフ１１１８が示されている。平面図及びグラフ１１１６に示されるように、レーザビーム１１０２の定電力が変調電力に変化した後、排出パターン１１１４ａ、１１１４ｂは、密度が低下し、低減するか又は除去される。このように、レーザビーム１１０２の電力の制御された変調を導入することによって、排出沈殿物を低減させることができ、融合部分１１１０の均一性及び他の特性を改善することができる。いくつかの例において、制御された変調及びＰ高、Ｐ低、Ｐデューティ、Ｔ変調などの関連付けられた変動は、所定の応答特性に基づき得るか、例えば、ビーム走査ダイナミクスに応じて、動的検出なしで導入され得るか、又はレーザ溶融標的１１０４、スポット１１０６、溶融プール１１０８、走査移動などの検出された特性に基づき得る。
【0054】
典型的な例では、変調周期Ｔ変調は、スポット１１０６の一部が、隣接する複数の変調周期にわたってスポット領域に等しい標的１１０４の領域にわたって配置されるように選択された持続時間を有する。例えば、１ｍ／ｓで走査される１００μｍの直径のスポットを有するレーザビームに対しては、標的領域の一部には、２０μｓのＴ変調を有する５つの変調周期が重なるであろう。レーザビームパラメータは、材料によって変化し得、レーザシステムのタイプに依存し得る材料加工要件に基づいて選択することができる。代表的な加工及びシステム例は、正規化されたエネルギー又はフルエンスの伝達が望ましい材料加工用途のためのレーザビームを提供するが、迅速なレーザビーム走査は、レーザシステムの典型的な電力調整能力を超える時間にわたる電力伝達の所望の勾配によって、走査経路１１００などのレーザビーム走査経路の種々の部分に沿った均一なエネルギー伝達を許容しない。本明細書におけるいくつかの連続波レーザの例では、関連するレーザビームの電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が２．５μｓ程度の低さで、５μｓ程度の短い変調周期を得ることができる。典型的な例では、変調周期は、１０μｓ、５０μｓ、１００μｓ、５００μｓ、１ｍｓ以上を含み得、立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、５μｓ、１０μｓ、２０μｓ、５０μｓ、１００μｓ以上を含み得る。デューティサイクルはまた、金属粉末のタイプ、選択的に融合させた材料（例えば、焼結又は溶融させた材料）の所望の材料特性、及び、レーザビームのスポットサイズ、レーザビームの強度プロファイル、レーザビームの走査速度、レーザ走査システムダイナミクスなどの加工特性に影響するレーザシステムパラメータに基づいて、レーザ変調及び平均ビームの電力を調整するように、加工要求に応じて、例えば、グラフ１１２２に示されるように変化させることができる。グラフ１１２２は、一定のＴ変調及び一連のサイクル１１２４にわたって０％から５０％を超えて増加する可変のＰデューティを有する特定の例を示す。別の例によれば、Ｐデューティの変動は、フィードバックに基づいて、又はフィードバックなしに、ステップ、ランプ、又は他の機能において提供することができる。いくつかの例では、Ｐデューティを、選択されたＴ低又はＴ高を提供し、Ｔ変調を増加又は減少させることによって変化させることができる。いくつかの例では、ビーム変調は、単一の変調サイクルに対して提供され得る。変調周期Ｔ変調及び／又はデューティファクタもまた、材料によって吸収される一定又は均一のフルエンス若しくはエネルギーを維持するか、又は標的１１０４において材料によって吸収されるフルエンス若しくはエネルギーを変化させるように、走査経路特性、走査システムダイナミクスに基づいて、又は標的１１０４、溶融プール１１０８、排出された材料、及び排出沈殿物１１１２（排出パターン１１１４ａ、１１１４ｂを含む）など若しくはそれらの任意の組み合わせの検出された特性に基づいて、加工中に変化させるか又は調整することができる。
【0055】
図１２は、標的１２００においてレーザスポット１２０４を形成し、走査経路１２０６に沿って方向付けられたレーザビーム１２０２による金属粉末の標的１２００の加工を示す。レーザスポット１２０４は、標的１２０６の一部を選択的に溶融して、融合部分１２１０の中に冷却する液体部分１２０８を形成する。示されるように、レーザスポット１２０４は、一定のレーザビームの電力を有しており、図１２の平面の右方向に一定の走査速度で走査される。第１の走査経路部分１２１４に沿って、レーザスポット１２０４のエッジトレース１２１２ａと１２１２ｂとの間に一定の分離距離が延在する。加工中、標的１２００がレーザスポット１２０４によって加熱されるときの金属粉末の物質相の不安定性の変化は、融合部分１２１０に隣接して及び／又は融合部分１２１０内に排出パターン１２１６を形成し得、融合部分１２１０の標準以下の材料特性、並びに標的１２００の原料粉末の凝集及び微細不整合を含む種々の弊害に関連付けられ得る材料の排出をもたらす。
【0056】
第２の走査経路部分１２１８に沿って、レーザスポット１２０４は、エッジトレース１２１２ａと１２１２ｂとの間の可変の分離距離によって示される領域変調を受ける。分離距離は、ビーム領域の変調周波数に対応する空間変調周期Ｔ変調及び標的１２００に対するレーザスポット１２０４の走査速度に応じて、最小幅Ｄ最小と最大幅Ｄ最大との間で変化させることができる。ビーム領域及び対応するビーム領域の変調周波数の変調は、レーザビーム１２０２に光学的に結合され、ビーム形状を調整するように配置され得るビームエキスパンダ、焦点調整器、又は他の光学構成要素を備えることができる。明確にするために、図１２に描かれたＴ変調は、レーザスポット１２０４の最小直径Ｄ最小又は融合部分１２１０の幅ほどの長さを有する。他の例では、Ｔ変調は、Ｄ最小の１００倍、１０倍、１倍、１／５、１／１０、１／５０、１／１００又は融合部分１２１０以下であり得る。いくつかの例では、ビーム領域の変調周波数若しくは空間変調周期Ｔ変調又はその両方を、標的１２００の粉末材料、液体部分１２０８、排出された材料の材料応答性質、又は排出パターン１２１６、金属粉末の蒸気圧、検出若しくは推測された光学特性、温度、熱緩和時間、冷却速度などを含む他の関連付けられた特徴若しくは性質に基づいて調整することができる。レーザスポット１２０４が第２の走査経路部分１２１８において変調を受けた後、排出パターン１２１６の密度が減少し、その結果、融合部分１２１０の材料性質が改善される。
【0057】
図１３において、レーザスポット１３００は、屈曲領域１３０６を含む走査経路１３０４に沿って選択的レーザ溶融標的１３０２に方向付けられている。標的１３０２の走査及び加工に、標的１３０２の粉末材料から溶融プール１３０８が形成され、次いで凝固して固体領域１３１０が形成される。レーザスポット１３００は、特徴的な動的応答を有する、１つ以上の走査ミラー、アクチュエータ、又は他の光学構成要素を含む、走査システムを用いて、電力曲線１３１６を有するグラフ１３１４に示されるように、を走査経路１３０４に沿って一定の電力で方向付けることができる。いくつかの例では、一定の走査速度コマンドであっても、屈曲領域１３０６におけるレーザスポット１３００の方向変化に関連付けられた動的応答を、グラフ１３２０において走査速度
の曲線１３１８で示される走査速度の減少に関連付けることができ、グラフ１３２４におけるフルエンスＦ（ｓ）曲線１３２２で示される標的１３０２におけるフルエンスの増加に関連付けることができる。屈曲領域１３０６において、フルエンスの増加は、１つ以上の物質相中の金属粉末に関連付けられた蒸気圧の増加を含む過剰な加熱及び物質相の不安定性をもたらし得る。液相又はプラズマ相の粉末材料は、屈曲領域１３０６内の溶融プール１３０８から排出され得、その結果、グラフ１３２８中の排出密度ρ（ｓ）曲線１３２６で示されるように、走査経路１３０４に沿って排出パターン１３１２が形成される。更なる例では、屈曲領域１３０６に出入りする走査経路１３０４のセグメントの近接もまた、屈曲領域１３０６近傍での熱負荷の増加と、蒸気圧及び関連付けられた物質相の不安定性の局所的増加をもたらす走査経路セグメントの出入りとに関連付けることができる。
【数1】
の曲線１３１８で示される走査速度の減少に関連付けることができ、グラフ１３２４におけるフルエンスＦ（ｓ）曲線１３２２で示される標的１３０２におけるフルエンスの増加に関連付けることができる。屈曲領域１３０６において、フルエンスの増加は、１つ以上の物質相中の金属粉末に関連付けられた蒸気圧の増加を含む過剰な加熱及び物質相の不安定性をもたらし得る。液相又はプラズマ相の粉末材料は、屈曲領域１３０６内の溶融プール１３０８から排出され得、その結果、グラフ１３２８中の排出密度ρ（ｓ）曲線１３２６で示されるように、走査経路１３０４に沿って排出パターン１３１２が形成される。更なる例では、屈曲領域１３０６に出入りする走査経路１３０４のセグメントの近接もまた、屈曲領域１３０６近傍での熱負荷の増加と、蒸気圧及び関連付けられた物質相の不安定性の局所的増加をもたらす走査経路セグメントの出入りとに関連付けることができる。
【0058】
本明細書におけるいくつかの実施形態では、蒸気圧力を、溶融プール１３０８の特性の光学的検出又は溶融プール１３０８に近接する特性に基づいて近似又は測定することができる。例えば、１つ以上の光学検出器を、例えば、選択的レーザ溶融標的１３０２を考慮して、又はレーザスポット１３００を走査経路１３０４に沿って走査するレーザスキャナを通じてレーザスポット１３００に結合することができる。蒸気圧監視装置を、１つ以上の光学検出器からの光学検出信号を受信し、検出された光学信号を蒸気圧の測定値に変換するように配置することができる。いくつかの実施形態は、シュテファン・ボルツマンの熱放射関係などによって、溶融プールの温度を決定するように配置された光学高温計を含み得、物質相間のクラウジウス・クラペイロン関係の近似値により蒸気圧の近似値を得ることができる。典型的な例では、局所温度、標的温度、周囲圧力などの他のパラメータを検出又は近似することができ、光学検出信号と共に使用して蒸気圧の測定値を生成することができる。いくつかの例では、蒸気圧監視装置を、走査経路１３０４に沿ってレーザスポット１３００の生成及び／又は移動を制御するレーザコントローラに又はその一部に結合することができる。蒸気圧の測定値は、記録目的のために格納することができ、部品シリアル番号、粉末材料ロットなどの製造部品に関連する。部品故障又は部品試験結果の傾向を、蒸気圧の測定値及び／又は変動に関連付けることができる。加工中又はその後の加工において、蒸気圧を監視することにより、所定の閾値に対する傾向又は変動を検出することができ、傾向を和らげるように補正変調を適用することができる。
【0059】
図１４Ａは、図１３に示される走査経路１３０４及び屈曲領域１３０６と同様の屈曲領域１４０４を含むレーザスポット１４０２の走査経路１４００を示す。図１４Ｂは、レーザスポット１４０２及び走査経路１４００に関連付けられた時間Ｐ（ｔ）曲線１４０７に対する電力のグラフ１４０６、並びにそれぞれの走査速度
の曲線１４２２、フルエンスＦ（ｓ）曲線１４２４、及び排出密度ρ（ｓ）曲線１４２６を示す関連グラフ１４１６、１４１８、１４２０を示す。レーザスポット１４０２のウェーク及び関連付けられた溶融プール１４１２における選択的レーザ溶融標的１４１０の粉末材料の走査経路１４００に沿って融合領域１４０８が形成される。走査経路の位置ｓ１に対応する時間ｔＡにおいて、レーザスポット１４０２は、選択された走査速度で、図１４Ａの平面において右に走査されている。走査経路の位置ｓ２に対応する時間ｔＢにおいて、レーザスポット１４０２の走査速度は、走査方向を変えるように遅くなり、屈曲領域１３０６中を走査し、走査方向を反転させる。走査経路の位置ｓ３に対応する時間ｔＣにおいて、レーザスポット１４０２は、図１４Ａの平面において左の走査方向に時間ｔＡにおける走査速度まで再加速され、走査位置ｓ４に対応する時間ｔＤにおいて前の走査速度を達成する。
【数2】
の曲線１４２２、フルエンスＦ（ｓ）曲線１４２４、及び排出密度ρ（ｓ）曲線１４２６を示す関連グラフ１４１６、１４１８、１４２０を示す。レーザスポット１４０２のウェーク及び関連付けられた溶融プール１４１２における選択的レーザ溶融標的１４１０の粉末材料の走査経路１４００に沿って融合領域１４０８が形成される。走査経路の位置ｓ１に対応する時間ｔＡにおいて、レーザスポット１４０２は、選択された走査速度で、図１４Ａの平面において右に走査されている。走査経路の位置ｓ２に対応する時間ｔＢにおいて、レーザスポット１４０２の走査速度は、走査方向を変えるように遅くなり、屈曲領域１３０６中を走査し、走査方向を反転させる。走査経路の位置ｓ３に対応する時間ｔＣにおいて、レーザスポット１４０２は、図１４Ａの平面において左の走査方向に時間ｔＡにおける走査速度まで再加速され、走査位置ｓ４に対応する時間ｔＤにおいて前の走査速度を達成する。
【0060】
屈曲領域１４０４に関連付けられた物質相の不安定性を低減するために、レーザスポット１４０２の電力は、屈曲領域１４０４内又はその近傍、例えば、時間ｔＢとｔＣとの間の選択されたデューティサイクルＰデューティを有する変調周期Ｔ変調に従って、パワーレベルＰ高とＰ低と間で変調される。変調は、フルエンスＦ（ｓ）曲線１４２４で示されるように、より均一な量のエネルギーがレーザ溶融標的１４１０の加工領域に伝達されるように、レーザスポット１４０２の平均パワーを低減する。走査移動に対してエネルギーの伝達が正規化されると、関連する排出密度ρ（ｓ）曲線１４２６でも描かれるように、形成される排出パターン１４１４は、図１３に示される排出パターン１３１２と比較すると、より小さいものであり、より少ない排出粒子を含有する。可変の変調周期Ｔ変調及び可変のデューティサイクルＰデューティを含む、種々の長さの変調周期Ｔ変調及び１つ以上の高い電力で種々のパーセンテージを有するデューティサイクルＰデューティを使用することができる。変調は、走査経路１４００の所定の特性に基づいて、並びに標的１４１０、融合領域１４０８、溶融プール１４１２、排出パターン１４１４、排出粒子、走査経路１４００などを含むレーザスポット１４０２の又はその近傍の検出された特性に基づいて適用することができる。いくつかの例では、レーザスポット１４０２は、屈曲領域１４０４又は時間ｔＢ及びｔＣの前若しくは後であるが、増加したデューティサイクルＰデューティ若しくは変調周期Ｔ変調（又はその両方）で、走査経路１４００に沿って交流電力のレベル間で変調される。いくつかの例では、関連付けられた電力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間は、変調周期Ｔ変調の変動に伴ってレーザスポット１４０２の平均を変化させることができる。
【0061】
図１５は、走査経路１５００が屈曲領域１５０６を含む選択的レーザ溶融標的１５０４を横切って走査されるレーザスポット１５０２の走査経路１５００の一例を示す。レーザスポット１５０２のウェーク及びレーザスポット１５０２を横断する関連付けられた液体溶融領域１５１０において一定の幅で融合領域１５０８が形成される。走査されたレーザスポット１５０２の対向するエッジトレース１５１２ａ、１５１２ｂは、走査経路１５００の直線部分の間に融合領域１５０８から第１の距離で整合するか又は第１の距離だけ離間し、屈曲領域１５０６において融合領域１５０８から逸れる。レーザスポット１５０２が屈曲領域１５０６中を走査するにつれて、液体溶融領域１５１０の混合物質相に関連付けられた不安定性を減少させるために、屈曲領域１５０６の少なくとも一部及び屈曲領域１５０６近隣にわたってレーザスポット１５０２のサイズが増加される。不安定性が減少するにつれて、図１３に示される同様の屈曲領域１３０６と比較して、屈曲領域１５０６内の融合領域１５０８の形成中に、より少ない粉末粒子１５１４が排出される。
【0062】
図１６では、選択的レーザ溶融加工での使用に適したレーザシステム１６００の概略が示されている。レーザシステム１６００は、レーザビーム１６０４を発生させるように配置されたレーザ源１６０２と、レーザビーム１６０４を受光し、ビームサイズを変化させて、拡大されたレーザビーム１６０８を発生させるように配置されたビームエキスパンダ１６０６と、拡大されたレーザビーム１６０８を受光するように、かつビームスポット１６１４に集束され、選択的レーザ溶融標的１６１６の選択された領域内のレーザ走査経路に沿って方向付けられている集束させたビーム１６１２を形成するように配置されたレーザスキャナ１６１０とを含む。ビームスポット１６１４が標的１６１６を加熱すると、金属粉末が溶融し、冷却する溶融プール１６１８が形成されて、融合材料１６２０が形成される。金属粉末は沸騰し、種々の飛散パターンを形成する排出物１６２２の粒子の形態で溶融プール１６１８から排出することができ、基準を下回る材料（subnominalmaterial）の性質及び特性を有する融合領域１６２０の形成に関連付けることができる。選択的レーザ溶融中、融合領域１６２０上で選択的に溶融される材料の連続層は、物体を構成する複数の層の全体的な品質を弱めるか、又は低下させることがある。
【0063】
レーザシステムコントローラ１６２４は、レーザ源１６０２に結合され、レーザビーム１６０４の発生を制御し、更にビームエキスパンダ１６０６に結合されて、拡大されたレーザビーム１６０８の拡大の程度を制御する。レーザシステムコントローラ１６２４はまた、標的１６１６において集束させたビーム１６１２の焦点及び位置を制御するように、レーザスキャナ１６１０に結合されている。レーザシステムコントローラ１６２４はまた、光検出器の信号１６２８を受信するように、光検出器１６２６に結合することができる。光検出器１６２６は、選択的レーザ溶融加工の１つ以上の光学特性を監視するように、ビームスポット１６１４に近接する標的１６１６に光学的に結合される。例えば、加工中のビームスポット１６１４の位置又はその近傍から出てくる光束１６３２が、レーザスキャナ１６１０の光学部品を通って伝播し、ビームスプリッタ１６３０で反射して光検出器１６２６に方向付けられるように、拡大されたレーザビーム１６０８の伝播経路内にビームスプリッタ１６３０などのビームピックオフを配置することができる。光検出器１６２６は、フォトダイオード、高温計、赤外線温度計、サーモグラフィカメラのうちの１つ以上を含む種々のタイプのものであり得、レーザスキャナ１６１０の光学部品を通す代わりに、標的１６１６及びビームスポット１６１４の表面に直接光学的に結合することもできる。例えば、光検出器１６２７は、標的表面を直接見ることができるか、又はビームスプリッタ１６２９によってビーム経路に結合することができる。
【0064】
いくつかの例では、光検出器の信号１６２８は、溶融プール１６１８及び排出物１６２２など標的１６１６の一部の温度に対応する。追加の実施形態では、光検出器の信号１６２８は、ビームスポット１６１４における又はその近傍の標的１６１６の直接画像化を含む、溶融プール１６１８若しくは排出物１６２２の反射、発光、スペクトル、散乱、又は他の光電力シグネチャに対応する。更なる例では、プローブ源１６３４は、例えば、ビームスプリッタ１６３８を通って標的１６１６に方向付けられ得るプローブビーム１６３６を放射するように配置される。プローブビーム１６３６は、例えば、吸収、反射、透過、回折、散乱などにより、溶融プール１６１８又は排出物１６２２と光学的に相互作用して、光検出器１６２６によって受光され、光検出器の信号１６２８に変換される光束１６３２を生成することができる。代表的な例では、検出された光束１６３２は、レーザビーム１６０４の波長からオフセットされた１つ以上のスペクトル成分を含む。
【0065】
レーザシステムコントローラ１６２４は、１つ以上のプロセッサ１６４２及びメモリ１６４４を有するコンピューティング環境１６４０を含む。いくつかの例では、プロセッサ１６４２は、縮小された又は複雑な命令のセットのコンピューティングアーキテクチャに基づいて構成され得、１つ以上の汎用中央処理ユニット、特定用途向け集積回路、グラフィクス、又は共通の処理ユニット若しくは他の処理ユニットを含むことができる。メモリ１６４４は、揮発性メモリ（例えば、レジスタ、キャッシュ、ＲＡＭ）、不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）、又は揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせであり得る。メモリ１６４４は、概して、プロセッサ１６４２によってアクセス可能であり、メモリ１６４４に結合されたプロセッサ１６４２によって実行され得るコンピュータ実行可能命令の形態でソフトウェアを格納することができる。メモリ１６４４はまた、磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭＳ、ＤＶＤ、又は非一時的な方法で情報を格納するために使用され得、コンピューティング環境１６４０内でアクセスされ得る任意の他の媒体を含む取り外し可能又は取り外し不可能なストレージを含むことができる。
【0066】
典型的な例では、メモリ１６４４は、命令、データアレイ、ルックアップテーブルなどを格納することができ、本明細書において記述される１つ以上の方法の工程及びアルゴリズムを実現する。例えば、レーザシステムコントローラ１６２４は、レーザ源１６０２、ビームエキスパンダ１６０６、及びレーザスキャナ１６１０を含むレーザシステム１６００の１つ以上の構成要素に結合されたレーザコマンド信号１６４８を通じてレーザビーム１６０４のパワーレベルの変調を開始又は調整するように配置されたビーム変調制御１６４６を含むことができる。代表的な実施形態では、ビーム変調制御１６４６は、受信した光検出器の信号１６２８に基づいて、ビーム変調周期、ビーム変調デューティサイクル、及びビーム変調のパワーレベルを交互に高いパワーレベルと低いパワーレベルとの間で離散的に変化させ得、発生したレーザビーム１６０４の平均パワーにおいて所定の変化を生じさせる。例えば、ビーム変調制御１６４６は、光検出器の信号１６２８が閾値を下回って低減するように、物質相の不安定性、排出物、蒸気圧、又は他の特徴に関連付けられた所定の閾値を超える光検出器の信号１６２８に応答して、種々の変調を提供することができる。更なる例は、パワーレベルのアナログ変動を提供することができる。離散的な例では、３つ以上のパワーレベル間での交互が可能であり、種々の変調シーケンス（例えば、Ｐ１－Ｐ２－Ｐ３、Ｐ１－Ｐ２－Ｐ３－Ｐ２－Ｐ１、Ｐ２－Ｐ１－Ｐ３－Ｐ１－Ｐ２など）におけるもの及び非同等周期の継続時間を有するものを含む。低いパワーレベルは、ゼロ又は非ゼロ電力に対応することができる。追加の実施形態では、ビーム変調制御１６４６は、ビーム領域内の変動に基づいて溶融プール１６１８における電力密度を低減し、光検出器の信号１６２８を所定の閾値を下回るように、ビームエキスパンダの変調信号１６５０を通じてビームスポット１６１４の領域を変調する。更なる実施形態では、ビーム変調制御１６４６は、レーザスキャナ１６１０に送られるレーザスキャナコマンド信号１６５２の焦点調整信号部分で標的１６１６のビーム領域を変調する。
【0067】
いくつかの例では、フォトダイオードルックアップテーブル１６５４を使用して、光検出器の信号１６２８の値とビーム変調制御１６４６のための変調量とを関連付けることができる。更なる例では、光検出器の信号１６２８を、溶融プール１６１８又はその近傍の金属粉末に対応する蒸気圧の量又は方程式に関連付ける蒸気圧対応テーブル１６５６が設けられている。光検出器の信号１６２８及び蒸気圧対応テーブル１６５６から決定された蒸気圧に基づいて、ビーム変調制御１６４６の変調率を調整することができる。レーザシステムコントローラ１６２４はまた、標的１６１６の材料組成、粉末サイズ、又は他の特徴に関連付けられた選択可能な材料プロファイル１６５８を含むことができる。いくつかの実施形態は、ビームスポット１６１４の走査のためのパターン情報を提供するパターンファイル１６６０と、レーザ源１６０２を通電及び非通電させるゲートコマンド信号１６６４を提供し得るゲートソース１６６２とを含むことができる。
【0068】
レーザコントローラ１６２４は、レーザスキャナ１６１０に１つ以上の方程式、パラメータ、又はデータテーブルを記述するレーザスキャナダイナミクス１６６６を含むことができる。走査中、方向の変化、アーク、円などによるビームスポットの加速及び減速は、標的１６１６に伝達されるフルエンス量を変化させることができ、小さい特徴などの形成中、例えば、走査方向の変化の前後において、隣接する走査経路セグメント間の近接は、局所的に熱負荷を増加させ、溶融プール１６１８の温度の動的変動を生じさせることができる。パターンファイル１６６０によって画定される所与の走査経路については、フルエンスが融合領域１６２０の形成に関連付けられた加工閾値内に残り、物質相の不安定性が抑制されるように、ビーム変調制御１６４６によって提供される変調を走査経路特性及びレーザスキャナダイナミクス１６６６に基づいて調整することができる。
【0069】
いくつかの実施形態では、ビーム変調制御１６４６は、光検出器の信号１６２８、光検出器１４２６、又は標的１６１６の光学特性の関連付けられたその場の又は同時期に起こる検出を伴うことなく決定される。例えば、金属粉末材料を選択し試験して、種々の融合、溶融プール、蒸気圧、排出物、不安定閾値、又は他のレーザ応答特性（例えば、走査速度、ビームサイズ、ビーム形状、ピーク電力、平均パワーなど）を決定することができ、種々のレーザ変調を提供して、加工に適した変調を決定することができる。材料プロファイル１６５８には、選択された金属粉末、又は幅、深さ、特徴サイズ、粒度などを含むレーザ及び融合させた物体の特性などの他の加工パラメータに関連付けられた決定された変調パラメータが含まれ得る。異なるレーザ材料の加工パラメータは、異なる金属粉末で又は同じ物体の異なる部分のために使用するために選択することができる。
【0070】
図１７は、選択的レーザ溶融標的において改善されたレーザ加工結果を生成するためにビーム変調を調整する方法１７００を示す。１７０２では、レーザ走査コマンドに従って、レーザ源で発生させたビームを、標的へ走査経路に沿って方向付ける。ビームは、典型的には、標的の金属粉末が溶融及び融合するように選択された平均パワーを有する集束させたスポットを形成する。代表的な例では、ビームが走査経路を横切るにつれて、ビームスポット及びビームスポットのウェークに溶融プールが形成される。１７０４で、溶融プール又は溶融プールに近接する標的の光学特性が検出され、対応する信号が発生されるように、光検出器が標的及び走査経路に光学的に結合される。
【0071】
１７０６では、レーザコントローラは、光検出器の信号を受信し、その信号を、溶融プールの不安定性及び望ましくない融合又は標的特性と相関し得る、溶融プールの温度、蒸気圧、排出された粉末材料、プラズマ形成などの標的の特性に関連付けられた１つ以上の信号閾値と比較する。閾値条件に満たない信号については、１７０８で、信号及び関連付けられた溶融プールの不安定性を低減する（又は検出された特性に応じて増加する）レーザビーム変調が決定される。代表的な実施形態では、信号に応答して選択されたビーム変調は、標的における平均ビームパワーの低減に対応する１つ以上の周期、デューティサイクル、及びパワーレベルを有する２つ以上のビームパワー間での交互を含むことができる。いくつかの例では、ビーム変調は、ビームパワーのアナログ変動を含むことができる。更なる例では、ビーム領域又はビーム焦点は、標的におけるビームの平均パワーが変化するように変更される。
【0072】
いくつかの例では、光検出器に対する応答時間並びにレーザシステムによるレーザビームの生成及び終了に基づいて、検出の際に存在する溶融プールの少なくとも一部に変調を提供することができる。１７１０では、決定された変調でレーザビームが変調され、１７０４では、溶融プール及び標的が繰り返し又は連続的な検出を受ける。閾値内の信号については、変調が最小レベルでない場合、変調を１７１４においてテーパすることができるように、最小変調条件を１７１２においてチェックすることができる。１７０６における信号の追加チェックは、ゼロ変調又は非ゼロ変調を含む最小又は所定のレベルまで変調をテーパし続けることを可能にすることができる。いくつかの例では、信号条件は閾値の外であり得、要求された変調は、所定の材料加工ウインドウの外側である平均パワーを生成する。
【0073】
ビームが走査経路に沿って方向付けられるとき、１７１６において、走査コマンド又は走査経路は、典型的には、走査経路に沿ってレーザビームの方向を提供するスキャナミラー及びミラーアクチュエータに関連付けられた走査経路のダイナミクスと比較される。走査経路のダイナミクスは、標的においてフルエンス変動を生じさせることがあり、その結果、過熱などによる、対応するレーザ加工のための許容フルエンスから外れる。１７１６での比較に基づいて、ビーム変調を調整するか否かの決定を１７１８でなすことができる。変調調整のために、レーザコントローラは、１７２０において、ビームの走査移動に関連付けられたフルエンス変動を緩和するビーム変調を決定する。例えば、所定の一定の連続波の電力又は平均パワーを有する遅延ビームは、標的の領域に伝達される光束を増加させ、不十分なレーザ加工材料を生成することがある。１７２２では、フルエンス変動を低減するように、１７２０で決定された変調に基づいてビームが変調される。走査ダイナミクスに基づいてビームの変調を調整し続けることができるように、走査コマンドを１７１６で比較するプロセスを繰り返すことができる。いくつかの例では、１７０８、１７１４、１７２２で適用される変調を比較して、用途の優先度を決定することができる。例えば、走査ダイナミクスに基づいて適用される変調は、１７１２で最小変調に対応することができ、１７１２、１７１８で考慮される変調は、決定がなされる前に比較することができる。
【0074】
図１８は、選択的溶融レーザ加工を説明するグラフ１８００、１８０２、１８０４を示す。グラフ１８００は、溶融プール、融合領域、又は金属粉末の特性などの選択的に溶融される標的の特性σ（ｘ）を追跡する。例としては、排出密度、融合強度、粒度、融合領域の形状（例えば、幅、深さ）などが挙げられ得る。グラフ１８０２は、標的の金属粉末の選択的溶融を遂行するように発生し標的に方向付けられたレーザビームのパワーレベルＰビームを示す。グラフ１８０４は、光検出器の信号、又は溶融プール、融合領域、又は金属粉末などのビーム－標的インターフェース若しくはその近傍において標的から受信される光検出器の信号に関連付けられた信号の信号レベルＰ信号を示す。時間ｔ１において、例えば、溶融プール内の物質相の不安定性に関連付けられ得るビーム－粉末インターフェースにおけるランダムな摂動のために、信号隆起１８０６として示されるＰ信号が増加する。Ｐ信号は、温度、蒸気圧、光散乱、排出物の移動に関連付けられたドップラ特性、散乱、排出パターン、パターン密度などの光排出シグネチャ、プラズマ励起又は他の物質相の不規則性に関連付けられた放射若しくはスペクトル線比などのスペクトル特性、直接画像化、並びに物質相の不安定性、反射、及び吸収の変動を示す画像変動などに対応することができる。
【0075】
Ｐ信号の増加に応答して、レーザビームの発生を制御するレーザコントローラは、周期Ｔ変調及びデューティサイクルＰデューティを含む選択可能な変調特性を備えるビーム変調１８０８を開始することができる。検出されたＰ信号の増加に応答して、ビーム変調１８０８を迅速に発生させることができる。選択されたビーム変調なしに、特性σ（ｘ）は、線１８１０、１８１２、１８１４で示されるように変動し、製造部品の脆弱化又は欠陥を含む、レーザ加工に関する許容結果から生成することができる。選択されたビーム変調により、特性σ（ｘ）は、線１８１６で示されるように低減された変動を経験することができ、溶融及び融合させた製品に対して改善された又はより均一な材料特性を生成することができる。時間ｔ２において、Ｐ信号は変調のための閾値を下回って減少し、ビーム変調１８０８は終了することができる。時間ｔ３において、Ｐ信号は、レーザ加工ビームＰビームの電力がスパイク１８１８に応答して調整されない場合に生成される、特性σ（ｘ）における変動１８２０、１８２２、１８２４に対応し得るスパイク１８１８を示す。レーザコントローラは、Ｐ信号のスパイク１８１８に応答して変調１８２６を生成し、特性σ（ｘ）に対してより一貫した線１８２８が生成される。変調１８２６は、所定の持続時間、例えば、ｔ４－ｔ３に基づいて、又は標的に関連付けられた別個の信号の検出に基づいてｔ４で終了し得る。
【0076】
例示された実施形態を参照して開示された技術の原理を説明し、図示したが、例示された実施形態はそのような原理から逸脱することなく構成及び詳細に関して変更することができる。例えば、例示された実施形態の要素は、ソフトウェア又はハードウェアにおいて実装され得る。また、任意の例からの技術は、他の例のうちの任意の１つ又は２つ以上で記載された技術と組み合わせることができる。例示された例を参照して記載されたようないくつかの手順及び機能は、単一ハードウェア又はソフトウェアモジュールにおいて実装され得て、あるいは別個のモジュールが提供できることが理解されよう。上記特定の構成は、便宜上の図示のために提供されており、他の構成も使用可能である。
【0077】
開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を鑑みて、図示された実施形態は代表的な例に過ぎず、本開示の範囲を限定するものではないことを認識するべきである。これらのセクションで特別に言及された代替は、単なる例示であり、本明細書に記載された実施形態の全ての可能な代替を構成するものではない。例えば、本明細書に記載されたシステムの様々な構成要素は、機能及び使用において組み合わせられてもよい。したがって、添付の特許請求の範囲内と趣旨にある全てを請求する。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図2I】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】