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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-21
(54)【発明の名称】分散フラックスアレイ
(51)【国際特許分類】
B23K 26/34 20140101AFI20231114BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20231114BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20231114BHJP
B23K 26/067 20060101ALI20231114BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20231114BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20231114BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20231114BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20231114BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20231114BHJP
B22F 10/36 20210101ALI20231114BHJP
B22F 12/44 20210101ALI20231114BHJP
【ＦＩ】
B23K26/34
B23K26/21 Z
B23K26/00 M
B23K26/067
B23K26/064 Z
B33Y10/00
B33Y30/00
B33Y50/02
B22F10/28
B22F10/36
B22F12/44
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023524541
(86)(22)【出願日】2021-10-20
(85)【翻訳文提出日】2023-05-26
(86)【国際出願番号】 US2021055869
(87)【国際公開番号】W WO2022093601
(87)【国際公開日】2022-05-05
(31)【優先権主張番号】63/107,100
(32)【優先日】2020-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517405068
【氏名又は名称】シューラット テクノロジーズ，インク．
【氏名又は名称原語表記】ＳＥＵＲＡＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100074099
【弁理士】
【氏名又は名称】大菅 義之
(72)【発明者】
【氏名】クラス スザンヌ
(72)【発明者】
【氏名】デムス ジェイムス エー．
(72)【発明者】
【氏名】バイラミアン アンドリュー ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】リード フランシス エル．
(72)【発明者】
【氏名】キッシンジャー ドリュー ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】ルブラン コート
【テーマコード（参考）】
4E168
4K018
【Ｆターム（参考）】
4E168BA35
4E168BA81
4E168CB00
4E168DA13
4E168DA23
4E168DA24
4E168DA25
4E168DA26
4E168DA28
4E168EA02
4E168EA11
4E168EA14
4K018CA44
4K018EA51
4K018EA60
(57)【要約】
装置が、少なくとも１つのレーザ源と、印刷床とを含む。少なくとも３つの光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイが、印刷床に異なる画像を向けるように配置される。少なくとも１つのレーザ源から導かれた複数のビームを向けるための光学系は、光学的にアドレス指定可能なライトバルブに光を向ける、およびライトバルブから光を向けるように配置することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つのレーザ源と、印刷床と、
前記印刷床に異なる画像を向けることができる少なくとも３つの光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイと、
前記少なくとも１つのレーザ源から導かれた複数のビームを前記光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるための光学系と
を備える、積層製造システム。
【請求項2】
前記印刷床に向けられた前記画像が、単一の画像を形成するためにそれらの縁部でメッシュ化または合致される、請求項１に記載の積層製造システム。
【請求項3】
前記印刷床に向けられた前記画像が、単一の画像を形成するためにそれらの縁部で重ね合わされる、請求項１に記載の積層製造システム。
【請求項4】
前記異なる画像が、前記ライトバルブアレイと前記印刷床との間に配置された個々のビームステアリングユニットに中継される、請求項１に記載の積層製造システム。
【請求項5】
前記少なくとも１つのレーザ源が、異なる波長の少なくとも２つのレーザ源をさらに備える、請求項１に記載の積層製造システム。
【請求項6】
少なくとも１つのレーザ源と、印刷床とを提供すること、異なる画像を前記印刷床に向けるために、少なくとも３つの光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイを配置すること、および
前記少なくとも１つのレーザ源から導かれた複数のビームを前記光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるために光学系を使用すること
を含む、積層製造方法。
【請求項7】
前記印刷床に向けられた前記画像が、単一の画像を形成するためにそれらの縁部でメッシュ化または合致される、請求項６に記載の積層製造方法。
【請求項8】
前記印刷床に向けられた前記画像が、単一の画像を形成するためにそれらの縁部で重ね合わされる、請求項６に記載の積層製造方法。
【請求項9】
前記異なる画像が、前記ライトバルブアレイと前記印刷床との間に配置された個々のビームステアリングユニットに中継される、請求項６に記載の積層製造方法。
【請求項10】
前記少なくとも１つのレーザ源が、異なる波長の少なくとも２つのレーザ源をさらに備える、請求項６に記載の積層製造方法。
【請求項11】
複数のレーザビームを提供する複数のレーザ源と、印刷床と、
前記印刷床に異なる２次元画像を向けることができる複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイと、
前記複数のレーザ源から導かれた前記複数のビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるための光学系と
を備える、積層製造システム。
【請求項12】
前記光学系が、前記レーザビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、複数のレーザビームを組み合わせることができる、請求項１１に記載の積層製造システム。
【請求項13】
前記光学系が、前記レーザビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、前記複数のレーザビームの少なくとも一部を分割することができる、請求項１１に記載の積層製造システム。
【請求項14】
前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブとの相互作用の後に２次元画像を変更できる二次光学系をさらに備える、請求項１１に記載の積層製造システム。
【請求項15】
前記ライトバルブアレイからの前記２次元画像の少なくとも一部が、前記印刷床で重ね合わされる、請求項１１に記載の積層製造システム。
【請求項16】
印刷床に向けることができる複数のレーザビームを提供する複数のレーザ源を提供すること、前記印刷床に異なる２次元画像を向けることができる複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイを配置すること、および
前記複数のレーザ源から導かれた前記複数のビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるための光学系を使用すること
を含む、積層製造方法。
【請求項17】
前記光学系が、前記レーザビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、複数のレーザビームを組み合わせることができる、請求項１６に記載の積層製造方法。
【請求項18】
前記光学系が、前記レーザビームを前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、前記複数のレーザビームの少なくとも一部を分割することができる、請求項１６に記載の積層製造方法。
【請求項19】
前記複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブとの相互作用の後に２次元画像を変更できる二次光学系をさらに備える、請求項１６に記載の積層製造方法。
【請求項20】
前記ライトバルブアレイからの前記２次元画像の少なくとも一部が、前記印刷床で重ね合わされる、請求項１６に記載の積層製造方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本開示は、２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６３／１０７，１００の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。
本開示は、２０２０年１０月２９日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６３／１０７，１００の優先権の利益を主張する非仮特許出願の一部であり、参照によりその全体が組み込まれている。
【0002】
本開示は、一般に、積層製造システムにおけるエネルギーの増加に関する。これは、入射照明ビームを２つ以上の光学的にアドレス指定可能なライトバルブ（ＯＡＬＶ）に分割し、それぞれがビームに同じ画像をインプリントすることを含むことができる。画像は、単一の画像を形成するために重ね合わせるまたはオーバーレイすることができ、または代替として分散画像を形成するために使用することができる。
【背景技術】
【0003】
金属積層製造（ＡＭ）の分野では、入射光学場が高フルエンスレーザ源になり得る。残念ながら、そのような産業用途では、数千万から数十億の典型的なショット数内での複数の構成サイクルの生産を可能にするために、光学的にアドレス指定可能なライトバルブが高フルエンスレーザ源に長時間耐える必要がある。妥当な時間内に材料を印刷するために必要なエネルギーは、印刷面で８Ｊ／ｃｍ２を超えることがある。光学的にアドレス指定可能なライトバルブでのフルエンスを減少させるために様々な方法を使用することができるが、商業上実用的な工業用処理は、光学的にアドレス指定可能なライトバルブでのエネルギー密度が２Ｊ／ｃｍ２以上であることを必要とする。既存の光学的にアドレス指定可能なライトバルブは、このフルエンスをはるかに下回ると機能しなくなり、光学ライトバルブの損傷を軽減するための技法を必要とする。
【0004】
本開示の非限定的および非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、ここで、同様の参照番号は、特に指定されない限り、様々な図全体にわたって同様の部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】入射照明ビームを結合し、分割して、透過型ライトバルブアレイの各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステムを示している。
【図2】入射照明ビームを結合し、分割し、反射型ライトバルブアレイの各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステムを示している。
【図3】入射照明ビームを分割して、ライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステムを示している。
【図4】入射照明ビームを結合し、結合された入射照明ビームを分割して、ライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステムを示している。
【図5】２つの入射照明ビームのそれぞれをビームのＭ×Ｎアレイに分割し、１つまたは複数の光結合器を使用して入射照明ビームアレイをオーバーレイし、各結合されたビームをライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の要素上に結像するためのシステムを示している。各ライトバルブからの出力が結像され、シフトされて、構築面に画像タイルの所望の構成を形成する。
【図6】２つの独立して制御される透過型ライトバルブを２つの異なる光源で照明し、次いで、画像を重ね合わせ、それらを構築面に中継するためのシステムを示している。
【図7】２つの独立して制御される反射型ライトバルブを２つの異なる光源で照明し、次いで、画像を重ね合わせ、それらを構築面に中継するためのシステムを示している。
【図8】反射または屈折光学要素のアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステムを示している。
【図9】レンズアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステムを示している。
【図10】プリズムのアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステムを示している。
【図11】ミラーのアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステムを示している。
【図12】回折光学要素のアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステムを示している。
【図13】屈折または反射光学系のアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。
【図14】レンズセグメントのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。
【図15】プリズムのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。
【図16】回折またはホログラフィック光学要素のアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像し、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。
【図17】ミラーのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。
【図18】すべてのライトバルブ画像をシフトして、構築面に単一の複合タイルを形成する一例を示している。
【図19A】タイルの分散パターンを用いた印刷の例を示している。
【図19B】タイルの分散パターンを用いた印刷の例を示している。
【図19C】タイルの分散パターンを用いた印刷の例を示している。
【図19D】タイルの分散パターンを用いた印刷の例を示している。
【図20】構築面へのライトバルブ出力を使用し、個々のビームステアリングユニットによってビームを構築面上にシフトする、２つの光源を備えた透過型ライトバルブアレイを有するシステムを示している。
【図21】高フルエンスライトバルブベースの積層製造システムを示している。
【図22】高フルエンスライトバルブベースの積層製造システムの別の実施形態を示している。
【図23】高フルエンスライトバルブベースの積層製造システムの動作を示している。
【図24】廃エネルギーの回収およびさらなる使用のためのスイッチヤード手法を組み込んだ高フルエンスライトバルブベースの積層製造の別の実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【0006】
以下の説明では、その一部を形成し、開示を実施することができる具体的な例示的な実施形態を例示する方法で示されている添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示された概念を実践することができるように十分に詳細に説明されており、本開示の範囲から逸脱することなく、開示された様々な実施形態に修正を加えることができ、他の実施形態を利用することができることを理解すべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味では取らない。
【0007】
以下の開示において、改善は、少なくとも１つのレーザ源と、印刷床とを使用することを含むことができる。少なくとも３つの光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイが、印刷床に異なる画像を向けるように配置可能である。光学系が、少なくとも１つのレーザ源から導かれた複数のビームを光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるために使用される。
【0008】
いくつかの実施形態では、印刷床に向けられた画像は、単一の画像を形成するためにそれらの縁部でメッシュ化および／または合致される複数のタイルである。
【0009】
いくつかの実施形態では、印刷床に向けられた画像は、単一の画像を形成するためにそれらの縁部で重ね合わされる。
【0010】
いくつかの実施形態では、異なる画像が、ライトバルブアレイと印刷床との間に配置された個々のビームステアリングユニットに中継される。
【0011】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのレーザ源が、異なる波長の少なくとも２つのレーザ源をさらに備える。
【0012】
いくつかの実施形態では、積層製造方法が、少なくとも１つのレーザ源と、印刷床とを提供すること、および異なる画像を印刷床に向けるために、少なくとも３つの光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイを配置することを含む。少なくとも１つのレーザ源から導かれた複数のビームを光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるために光学系を使用することができる。
【0013】
いくつかの実施形態では、積層製造システムは、複数のレーザビームを提供する複数のレーザ源と、印刷床とを含む。複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイは、印刷床に異なる２次元画像を向けることができ、光学系は、複数のレーザ源から導かれた複数のレーザビームを複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるように配置される。
【0014】
いくつかの実施形態では、光学系が、レーザビームを複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、複数のレーザビームを組み合わせることができる。
【0015】
いくつかの実施形態では、光学系が、レーザビームを複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向ける前に、複数のレーザビームの少なくとも一部を分割することができる。
【0016】
いくつかの実施形態では、複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブとの相互作用の後に２次元画像を変更できる二次光学系を配置することができる。
【0017】
いくつかの実施形態では、ライトバルブアレイからの２次元画像の少なくとも一部が、印刷床で重ね合わされる。
【0018】
いくつかの実施形態では、積層製造方法は、印刷床に向けることができる複数のレーザビームを提供する複数のレーザ源を提供することを含む。複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブを有するライトバルブアレイが、印刷床に異なる２次元画像を向けるように配置される。光学系が、複数のレーザ源から導かれた複数のレーザビームを複数の光学的にアドレス指定可能なライトバルブに向けるために使用される。
【0019】
図１は、入射照明ビームを結合し、分割して、透過型ライトバルブアレイの各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステム１００を示している。この実施形態では、入射照明ビーム１０１と１０２は、光学系１４６によって結合され、分割され、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ１０８の各要素上に結像される。いくつかの実施形態では、画像は、単一の画像を形成するためにそれらの縁部でメッシュ化および／または合致される複数のタイルを含むことができる。代替または追加として、印刷床に向けられた画像は、縁部で互いに重ね合わされて依然として単一の画像を形成する複数のタイルを含むことができる。別の実施形態では、入力ビーム１０１が１つしかない場合、光学系１４６は、単一の入力ビーム１０１を分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ１０８の各要素上に結像する。光学系１４３は、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２０８の各要素からのビームをシフトし、結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面１１６に最終的な画像を形成する。光学系１４６および１４３は、レンズ、プリズム、回折光学系、ホログラフィック光学系、メタマテリアルレンズ、またはこれらの何らかの組み合わせでよい。
【0020】
図２は、入射照明ビームを結合し、分割し、反射型ライトバルブアレイの各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステム２００を示している。この実施形態では、入射照明ビーム２０１と２０２は、光学系２４６によって結合され、分割され、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２０８の各要素上に結像される。入力ビーム１が１つしかない場合、光学系２４６は、単一の入力ビーム２０１を分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２０８の各要素上に結像する。光学系２４３は、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２０８の各要素からのビーム２０９をシフトし、結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面２１６に最終的な画像を形成する。光学系２４６および２４３は、レンズ、プリズム、回折光学系、ホログラフィック光学系、メタマテリアルレンズ、またはこれらの何らかの組み合わせでよい。
【0021】
図３は、入射照明ビームを分割して、ライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステム３００を示している。この実施形態では、入射照明ビーム３０１は、光学系３０６によって分割され、シフトされ、ライトバルブアレイ３０８の各要素上に結像される。光学系３０６は、入力ビーム３０１の入射画像面３０５を受け取る。光学系３０６は、ビームを分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ３０８の各要素上に結像する。光学系は、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ３０８の各要素からのビームをシフトし、結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面３１６に最終的な画像を形成する。光学系３０６は、レンズ、プリズム、回折光学系、ホログラフィック光学系、メタマテリアルレンズ、またはこれらの何らかの組み合わせでよい。構築面３１６での画像は、大きな複合タイル、またはタイルの分散グループでよい。Ｍ×Ｎライトバルブアレイ３０８の後の光学系は、ライトバルブアレイ出力ビームを結像し、シフトして、任意選択の中間画像面３１２に大きな複合タイルまたはタイルの分散パターンを印刷する要素３１０から構成される。光学系３１４は、中間画像を構築面３１６に中継する。Ｍ×Ｎライトバルブアレイ３０８の後に光学要素３４４があり、各ビームからの印刷に使用されない光を拒絶する。これらの光学要素３４４は、偏光子またはダイクロイックフィルタでよい。光学要素３４４は、結像およびシフト光学系３１０と中間画像面３１２との間に示されているが、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ３０８と構築面３１６での画像との間のどこにでも配置することができる。中間画像面３１２が存在しない場合、光学系３１０は、ビームを構築面３１６に直接結像する。
【0022】
図４は、入射照明ビームを結合し、結合された入射照明ビームを分割して、ライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の各要素上に結像し、次いで、各ライトバルブから出射するビームを結像し、シフトして、構築面に画像タイルの所望の構成を形成するためのシステム４００を示している。この実施形態では、異なる波長を有することができる入射照明ビーム４０１および４０２が重ね合わされ、次いで光学系４４６によって分割され、シフトされ、結像される。光学系４４６は、入力ビーム４０１および４０２を結合するための結合器光学要素４０３と、結合されたビーム４０４を分割し、シフトし、光学系４０６の入力上に結像（４０５）するための光学系４０６とから構成され、光学系４０６がさらに、結合されたビームを分割し、シフトして、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ４０８の各要素上に結像する。結合器光学要素４０３は、偏光子またはダイクロイックフィルタでよい。光学系４４３は、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ４０８の各要素からのビームをシフトし、結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面４１６に最終的な画像を形成する。構築面４１６での画像は、大きな複合タイル、またはタイルの分散パターンでよい。
【0023】
図５は、２つの入射照明ビームのそれぞれをビームのＭ×Ｎアレイに分割し、１つまたは複数の光結合器を使用して入射照明ビームアレイをオーバーレイし、各結合されたビームをライトバルブアレイ（透過型または反射型でよい）の要素上に結像するためのシステム５００を示している。この実施形態では、各ライトバルブからの出力が結像され、シフトされて、構築面に画像タイルの所望の構成を形成する。次いで、異なる波長を有することができる入射照明ビーム５０１と５０２は、分割され、シフトされ、結像され、次いで光学系５４６によって重ね合わされる。入射照明ビーム５０１は、分離されたビームを分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ５０８上に結像するために使用される光学系５０６の入力面に画像５０５を形成する。別の入射照明ビーム５０２は、分離されたビーム１３を分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ５０８上に結像するために使用される光学系５１８の入力面に画像５１７を形成する。源５０１からのＭ×Ｎ個のビームはそれぞれ、ビーム結合器光学系５１４を使用して、源５０２からの対応するビームと結合される。結合器光学系５１４は、偏光子またはダイクロイックフィルタでよい。結合器光学系５１４は、すべてのビームのための単一の結合器、または複数の結合器でよい。結合されたビームのＭ×Ｎアレイは、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ５０８の各要素を照明するための画像を形成する。光学系５４３は、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ５０８の各要素からのビームをシフトし、結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面５１６に最終的な画像を形成する。構築面５１６での画像は、大きな複合タイル、またはタイルの分散パターンでよい。
【0024】
図６は、２つの独立して制御される透過型ライトバルブを２つの異なる光源で照明し、次いで、画像を重ね合わせ、それらを構築面に中継するためのシステム６００を示している。この実施形態では、入射照明ビーム６０１および６０２が、ライトバルブ６０８Ａおよび６０８Ｂをそれぞれ照明する。ライトバルブ６０８Ａおよび６０８Ｂからの出力ビームは、光結合器６４１で互いに重ね合わされる。光結合器６４１は、偏光子またはダイクロイックフィルタでよい。光学系６４３は、光結合器６４１からのビームをシフトし、結合し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面６１６に最終的な画像を形成する。構築面６１６での画像は、大きな複合タイル、またはタイルの分散パターンでよい。入射ビーム６０１および６０２２の特性（波長、パルス長、強度を含む）は、各ライトバルブ６０８Ａおよび６０８Ｂに関するレーザ損傷を最小限に抑えるために独立して調整することができる。
【0025】
図７は、２つの独立して制御される反射型ライトバルブを２つの異なる光源で照明し、次いで、画像を重ね合わせ、それらを構築面に中継するためのシステム７００を示している。この実施形態では、入射照明ビーム７０１および７０２がそれぞれ、ライトバルブ７０８Ａおよび７０８Ｂを照明する。ライトバルブ７０８Ａおよび７０８Ｂからの出力ビームは、光結合器７４１で互いに重ね合わされる。光結合器７４１は、偏光子またはダイクロイックフィルタでよい。光学系７４３は、光結合器７４１からのビーム７４２をシフトし、結合し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面７１６に最終的な画像を形成する。構築面７１６での画像は、大きな複合タイル、またはタイルの分散パターンでよい。入射ビーム７０１および７０２の特性（波長、パルス長、強度を含む）は、各ライトバルブ７０８Ａおよび７０８Ｂに関するレーザ損傷を最小限に抑えるために独立して調整することができる。
【0026】
図８は、反射または屈折光学要素のアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステム８００を示している。この実施形態では、入射ビーム８０１は、光学要素８４３のＭ×Ｎアレイに画像面８０５を有する。Ｍ×Ｎ光学要素のアレイ８４３は、入力ビームをＭ×Ｎビームに分割し、Ｍ×Ｎ光学要素の第２のアレイ８４４によって平行ビームにリダイレクトされる。アレイ８４３および８４４内の光学系が光出力を有さない場合には、ビームをライトバルブアレイ８０８上の画像面に結像するために別個の光学系８２７が使用される。アレイ８４３および８４４内の光学系が光出力を有する場合には、アレイ８４３および８４４内の要素の光出力が、ライトバルブアレイ８０８内の各要素に画像を形成する。
【0027】
図９は、レンズアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステム９００を示している。この実施形態では、入射ビーム９０１は、レンズアレイ９２１に画像面９０５を有する。レンズアレイ９２１は、入力ビームを複数のビームに分割し、これらのビームは、第２のレンズアレイ９２３によって平行ビームにリダイレクトされ、これらの平行ビームがライトバルブアレイ９０８上に結像される。ライトバルブアレイに入射する画像の倍率は、２つのレンズアレイ９２１および９２３内のレンズ要素の相対的な焦点距離によって決定される。
【0028】
図１０は、プリズムのアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステム１０００を示している。この実施形態では、入射ビーム１００１は、プリズムアレイ１０２４に画像面１００５を有する。プリズムアレイは、入力ビームを複数のビームに分割し、これらのビームは、第２のプリズムアレイ１０２５によって平行ビームにリダイレクトされる。ライトバルブアレイ１００８の各要素上にビーム２６を結像するために、光学系２７が使用される。
【0029】
図１１は、ミラーのアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステム１１００を示している。この実施形態では、入射ビーム１１０１は、ミラーアレイ１１２８に画像面１１０５を有する。画像面１１０５でのミラーアレイ１１２８は、入力ビームの一部を複数のビームにリダイレクトし、これらのビームは、第２のミラーアレイ１１２９によって平行ビームにリダイレクトされる。ビームをライトバルブアレイ１１０８の各要素上に結像するために、光学系１１２７が使用される。
【0030】
図１２は、回折光学要素のアレイを使用して入射ビームを複数のビームに分割し、次いでビームを複数のライトバルブ上に結像するためのシステム１２００を示している。この実施形態では、入射ビーム１２０１は、回折光学要素アレイ１２０３に画像面１２０５を有する。回折光学要素は、入力ビームを複数のビームに分割し、これらのビームは、回折光学要素の第２のアレイ１２３１によって平行ビームにリダイレクトされる。ビームをライトバルブアレイ１２０８の各要素上に結像するために、光学系１２２７が使用される。
【0031】
図１３は、屈折または反射光学系のアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステム１３００を示している。この実施形態では、ライトバルブ１３０８のＭ×Ｎアレイから出射するビームは、光学系１２３３によって中間画像面１３１２に結像される。ビームは、屈折または反射光学系の２つのアレイ１３４３および１３４４によってシフトされ、中間画像面１３１２に画像の所望のパターンを形成する。アレイ１３４３および１３４４内の光学系が固有の光学パワーを有する場合、中間画像を形成するために光学系１３３３は必要ない。光学系１３１４は、ビームを構築面１３１６に結像する。
【0032】
図１４は、レンズセグメントのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステム１４００を示している。使用されるレンズは、ディスクリートレンズ、レンチキュラ光学系、プレノプティック光学系、またはインテグラル光学系でよい。光学系を製造するために使用される材料は、均質な材料もしくは勾配屈折率（ＧＲＩＮ）材料、またはメタマテリアルでよい。タイルの分散パターンが最終的な画像で示されるが、最終的な画像は、すべてのタイルの単一の合成画像でもよい。ライトバルブ１４０８のＭ×Ｎアレイから出射するビームは、レンズセグメントの２つのアレイ１４２０および１４３２によって結像され、シフトされて、中間画像面１４１２に画像の所望のパターンを形成する。次いで、光学系１４１４は、ビームを構築面１４１６に結像する。
【0033】
図１５は、プリズムのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステムを示している。ライトバルブ１５０８のＭ×Ｎアレイから出射するビームは、光学系１５３３で中間画像面に結像される。プリズムの２つのアレイ１５３５および１５３６は、ビーム１５３４を光学系１５３３からシフトさせて、中間画像面１５１２に画像の所望のパターンを形成する。次いで、光学系１５１４は、ビームを構築面１５１６に結像する。
【0034】
図１６は、回折またはホログラフィック光学要素のアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像し、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステム１６００を示している。これらの要素は、適切に機能するために光源からのコヒーレンスを必要とする。タイルの分散パターンが最終的な画像で示されるが、最終的な画像は、すべてのタイルの単一の合成画像でもよい。ライトバルブ１６０８のＭ×Ｎアレイから出射するビームは、光学系１６３３で中間画像面に結像される。回折光学要素の２つのアレイ１６３７および１６３８は、光学系１６３３からのビームをシフトさせて、中間画像面１６１２に画像の所望のパターンを形成する。次いで、光学系１６１４は、ビームを構築面１６１６に結像する。アレイ１６３７および１６３８での回折要素またはホログラフィック要素が光出力を有する場合、光学系１６３３は必要ない。
【0035】
図１７は、ミラーのアレイを使用して、Ｍ×Ｎライトバルブアレイからの出力をシフトし、結像して、構築面に画像タイルの分散パターンを形成するためのシステム１７００を示している。ライトバルブ１７０８のＭ×Ｎアレイから出射するビームは、光学系１７３３により中間画像面１７１２に結像される。ミラーの２つのアレイ１７３９および１７４０は、光学系１７３３からのビームをシフトさせて、中間画像面１７１２に画像の所望のパターンを形成する。次いで、光学系１７１４は、ビームを構築面１６に結像する。アレイ１７３９および１７４０内のミラーが光出力を有する場合、光学系１７３３は必要ない。
【0036】
図１８は、すべてのライトバルブ画像をシフトして、構築面に単一の複合タイルを形成する一例１８００を示している。この例では、ライトバルブのＭ×Ｎアレイからの画像１８４１が互いに隣接して配置されて、単一の複合タイルを形成する。画像１８４２の相対的なオーバーラップは、最適な印刷品質のために調整することができる。
【0037】
図１９Ａ～Ｄは、タイルの分散パターンを用いた印刷の例１９００を示している。この例では、ライトバルブの２×２アレイからの画像がチェックボード模様１９００Ａに配置され、構築面に印刷される。パターンはシフトされ、次いで１９００Ｂでの画像のために再度印刷される。パターンは再びシフトされ、１９００Ｃで再度印刷され、最後に１９００Ｄで印刷される。画像の分離（したがってタイル縁部のオーバーラップ）を調整して、最適な印刷品質を得ることができる。
【0038】
図２０は、構築面へのライトバルブ出力を使用し、個々のビームステアリングユニットによってビームを構築面上にシフトする、２つの光源を備えた透過型ライトバルブアレイを有するシステム２０００を示している。入射照明ビーム２００１および２００２は、光学系２０４６によって結合され、分割され、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２００８の各要素上に結像される。入力ビーム２００１が１つしかない場合、光学系２０４６は、単一の入力ビーム２００１を分割し、シフトし、Ｍ×Ｎライトバルブアレイ２００８の各要素上に結像する。光学系２０４３は、ＯＡＬＶアレイの各要素からのビームを結像し、各ビームから不要な光を拒絶して、構築面２０１６に最終的な画像を形成する。個々のビームステアリングユニット２０４７は、ビームを構築面２０１６の所望の位置にシフトする。いくつかの実施形態では、別個の光学システムを使用して、ライトバルブ出力を結像し、構築面画像２０４６に使用されない光を拒絶し、他の実施形態では、この操作は単一の光学システム（またはビームライン）として行われ、個々のビームステアリングユニット２０４７への分割が印刷床の直前で行われる。いくつかの実施形態では、個々のビームステアリングユニットは、印刷床の上方の単一のプラットフォームに取り付けられる。さらに他の実施形態では、プラットフォーム自体が、線形ステージから構成されるガントリシステムに取り付けられ、印刷床２０１６の上方で１次元または２次元での並進運動を可能にして、その全領域（従来、Ｘ方向およびＹ方向と呼ばれ、Ｚは垂直である）をカバーする。ビームステアリング２０４７ユニットは、１行に配列する、またはライトバルブ２００８の数に合致するようにＭ×Ｎアレイに配列することができる。
【0039】
図２１は、ライトバルブベースの積層製造システム２１００の使用を示している。レーザ源２１０２は、レーザ前置増幅器および／または増幅器２１０４を通してレーザビームをライトバルブ２１０６に向ける。パターン化後、光を印刷床２１１０に向けることができる。ライトバルブ２１０６は、追加の能動または受動冷却システム２１０８に取り付けることができる。ライトバルブベースの積層製造システム２１００の全体的な動作は、レーザ出力およびタイミングを変更することができる１つまたは複数のコントローラ２１２０によって制御することができる。
【0040】
いくつかの実施形態では、使用可能なレーザのタイプには、ガスレーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、固体レーザ（例えばファイバ）、半導体（例えばダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガスダイナミックレーザ、「ニッケル様」サマリウムレーザ、ラマンレーザ、または核ポンプレーザが含まれるが、これらに限定されない。
【0041】
ガスレーザには、ヘリウム－ネオンレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザ、キセノンイオンレーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、またはエキシマレーザなどのレーザを含めることができる。
【0042】
化学レーザには、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素－ヨウ素レーザ）、またはＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）などのレーザを含めることができる。
【0043】
金属蒸気レーザは、ヘリウム－カドミウム（ＨｅＣｄ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－水銀（ＨｅＨｇ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－セレン（ＨｅＳｅ）金属－蒸気レーザ、ヘリウム－銀（ＨｅＡｇ）金属－蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン－銅（ＮｅＣｕ）金属－蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、またはマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ２）蒸気レーザなどのレーザを含み得る。ルビジウムなどのアルカリ金属蒸気レーザも使用できる。固体レーザには、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジウムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジウムドープイットリウムオルトバナデート（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザ、ネオジウムドープオキソホウ酸イットリウムカルシウムＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３または単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジウムガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザ、チタンサファイア（Ｔｉ：サファイア）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ３（ガラスまたはセラミック）レーザ、イッテルビウムドープガラスレーザ（ロッド、プレート／チップ、およびファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウムドープリチウムストロンチウム（またはカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ＋３：ガラス）固体レーザ、クロミウムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープおよびエルビウムイッテルビウム共ドープガラスレーザ、三価ウランドープフッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ２）固体レーザ、二価サマリウムドープフッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ２）レーザ、またはＦセンターレーザなどのレーザを含み得る。
【0044】
半導体レーザには、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器形面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、またはこれらの組み合わせなどのレーザ媒質タイプを含めることができる。
【0045】
いくつかの実施形態では、様々な前置増幅器または増幅器２１０４が任意選択でレーザ信号に高利得を提供するために使用され、それとともに、光変調器およびアイソレータがシステム全体にわたって分配されて、光損傷を低減または回避し、信号コントラストを改善し、システム２１００のより低いエネルギーの部分に対する損傷を防止することができる。光変調器およびアイソレータには、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セル、ファラデー回転子、ファラデーアイソレータ、音響光学反射器、またはボリュームブラッグ格子を含めることができるが、これらに限定されない。前置増幅器または増幅器２１０４は、ダイオード励起増幅器またはフラッシュランプ励起増幅器でよく、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。理解されるように、本明細書における前置増幅器という用語は、（より大きい）レーザ増幅器に比べて熱的に制限されない（すなわちより小さい）増幅器を表すために使用される。増幅器は、典型的には、レーザシステム２１００での最終ユニットになるように配置され、限定はされないが熱破壊や過度の熱レンズ効果などの熱損傷を受けやすい最初のモジュールになる。
【0046】
レーザ前置増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス前置増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各前置増幅器２１０４から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス前置増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる前置増幅器２１０２の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化または偏光スイッチング（例えば、波長板またはファラデー回転子を使用する）によって達成することができる。
【0047】
代わりに、前置増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。そのようなキャビティ構造は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）により最大パルス長を制限する可能性があるが、いくつかの実施形態では、「ホワイトセル」キャビティを使用することができる。「ホワイトセル」は、各パスに小さな角度ずれが追加されるマルチパスキャビティアーキテクチャである。入口および出口経路を提供することによって、そのようなキャビティは、入口と出口との間に非常に多数のパスを有するように設計することができ、増幅器の大きな利得と効率的な使用を可能にする。ホワイトセルの一例は、ビームがわずかにオフ軸で注入され、ミラーが傾いている共焦点キャビティであり、多くのパスの後に反射がミラーにリングパターンを作成する。注入およびミラー角度を調整することによって、パスの数を変更することができる。
【0048】
増幅器は、システムエネルギー要件を満たすのに十分な蓄積エネルギーを提供するためにも使用され、それとともに、ダイオードであるか励起されるフラッシュランプであるかにかかわらず、システムに必要とされる繰り返し率での動作を可能にするのに十分な熱管理をサポートする。
【0049】
増幅器は、シングルパスおよび／またはマルチパスまたはキャビティタイプのアーキテクチャで構成することができる。増幅器は、エネルギー効率に過度に関係しないシステムで使用可能なシングルパス増幅器を含むことができる。よりエネルギー効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各増幅器から多くのエネルギーを抽出するようにマルチパス増幅器を構成することができる。特定のシステムに必要とされる増幅器の数は、システム要件、および各増幅器モジュールで利用可能な蓄積エネルギー／利得によって定義される。マルチパス前置増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）によって達成することができる。代わりに、増幅器は、回生増幅器タイプ構成を備えるキャビティ構造を含むことができる。前置増幅器に関して論じたように、出力増幅のために増幅器を使用することができる。
【0050】
いくつかの実施形態では、冷却システム２１０８は、受動または能動流体ポンピングシステムを含むことができる。コントローラ２１２０によってセンサを使用して、光透過またはレーザ光吸収特性を決定することができる。いくつかの実施形態では、廃熱を使用して、接続された構成要素の温度を上昇させることができる。理解されるように、このアーキテクチャでは、適切な熱管理および光分離を伴ってより多くの前置増幅器および増幅器を追加することによって、レーザ光束およびエネルギーをスケーリングすることができる。冷却システムの熱除去特性の調整が可能であり、性能を調整するためにポンプ速度の増加または冷却効率の変更が使用される。
【0051】
図２２は、ライトバルブベースの積層製造システム２２００の使用を示している。図２２に見られるように、レーザ源および増幅器２２１２は、冷却レーザ増幅器および前述したような他のコンポーネントを含むことができる。図２２に示すように、積層製造システム２２００は、レーザパターン化システム２２１０の一部として１次元または２次元の指向性エネルギーを提供できるレーザを使用する。いくつかの実施形態では、１次元パターン化は、直線状または曲線状のストリップ、ラスタ状の線、スパイラル状の線、またはその他の任意の適切な形式で指示することができる。２次元パターン化には、分離されたタイルや重複したタイル、またはレーザの強度が変化する画像を含めることができる。非正方形の境界を有する２次元画像パターンを使用することができ、重複または相互貫通画像を使用することができ、２つ以上のエネルギーパターン化システムによって画像を提供することができる。レーザパターン化システム２２１０は、レーザ源および増幅器２２１２を使用して、１つまたは複数の連続または断続的なエネルギービームをビーム成形光学系２２１４に向ける。成形後、必要に応じて、ビームは、透過型ライトバルブまたは反射型ライトバルブを含むレーザパターン化ユニット２２１６によってパターン化され、一般的に、一部のエネルギーは拒絶エネルギー処理ユニット２２１８に向けられる。パターン化されたエネルギーは、床２２４６の近くに焦点を合わせた２次元画像２２２２としての一実施形態において、画像リレー２２２０によって物品処理ユニット２２４０に向けて中継される。床２２４６（任意選択の壁２２４８を有する）は、材料ディスペンサ２２４２によって分注される材料２２４４（例えば金属粉末）を含むチャンバを形成することができる。画像リレー２２２０によって指示されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料２２４４を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。制御プロセッサ２２５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、レーザ源および増幅器２２１２、ビーム成形光学系２２１４、レーザパターン化ユニット２２１６、および画像リレー２２２０、およびシステム２２００の他の構成要素の動作を調整することができる。理解されるように、接続は有線または無線で、連続または断続的に行うことができ、フィードバック（例えば、感知された温度に応じて熱加熱を調整することができる）の機能を備えている。
【0052】
いくつかの実施形態では、ビーム成形光学系２２１４は、レーザ源および増幅器２２１２から受信した１つまたは複数のレーザビームをレーザパターン化ユニット２２１６に向けて、結合、集束、発散、反射、屈折、均質化、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法で成形および指向させるために、非常に多様な撮像光学系を含むことができる。一実施形態では、それぞれが異なる光波長を有する複数の光ビームを、波長選択ミラー（例えば二色性）または回折要素を使用して組み合わせることができる。他の実施形態では、多面鏡、マイクロレンズ、および屈折または回折光学要素を使用して、複数のビームを均質化または組み合わせることができる。
【0053】
レーザパターン化ユニット２２１６は、静的または動的エネルギーパターン化要素を含むことができる。例えば、レーザビームは固定または可動要素を有するマスクによって遮断することができる。画像パターン化の柔軟性と容易さを高めるために、ピクセルアドレス指定可能なマスキング、画像生成、または伝送を使用できる。いくつかの実施形態では、レーザパターン化ユニットは、単独で、または他のパターン化機構と組み合わせて、パターン化を提供するアドレス指定可能なライトバルブを含む。ライトバルブは、透過型、反射型、または透過型と反射型の要素を組み合わせて使用するものとできる。パターンは、電気的または光学的アドレス指定を使用して動的に変更できる。一実施形態では、光学的にアドレス指定された透過型ライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレス指定されたピクセルは、光投影源によって定義されるパターンを形成する。別の実施形態では、光学的にアドレス指定された反射型ライトバルブが、読み出しビームの偏光を変更するための書き込みビームを含む。特定の実施形態では、光学的にアドレス指定されていないライトバルブを使用することができる。これらには、電気的にアドレス指定可能なピクセル要素、可動ミラーまたはマイクロミラーシステム、ピエゾまたはマイクロ作動光学系、固定マスクまたは可動マスク、またはシールド、または高強度の光のパターン化を提供できるその他の従来のシステムが含まれ得るが、これらに限定されない。
【0054】
拒絶エネルギー処理ユニット２２１８は、パターン化されず画像リレー２２２０を通過しないエネルギーを分散、リダイレクト、または利用するために使用される。一実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニット２２１８は、レーザ源および増幅器２２１２と、レーザパターン化ユニット２２１６との両方から熱を除去する受動または能動の冷却要素を含むことができる。他の実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、レーザパターンの定義に使用されないビームエネルギーを吸収して熱に変換するための「ビームダンプ」を含むことができる。さらに他の実施形態では、ビーム成形光学系２２１４を使用して、拒絶レーザビームエネルギーを再利用することができる。代わりに、またはそれに加えて、拒絶ビームエネルギーを加熱またはさらなるパターン化のために物品処理ユニット２２４０に向けることができる。特定の実施形態では、拒絶ビームエネルギーを追加のエネルギーパターン化システムまたは物品処理ユニットに向けることができる。
【0055】
一実施形態では、「スイッチヤード」スタイルの光学系を使用することができる。スイッチヤードシステムは、印刷されるパターンによる不要な光の拒絶によって生じる、積層製造システムで無駄になる光を減らすのに適している。スイッチヤードには、複雑なパターンの生成（この場合、構造化ビームまたは非構造化ビームに空間パターンが付与される平面）から一連のスイッチポイントを介した送達への複雑なパターンのリダイレクトが含まれる。各スイッチポイントは、必要に応じて入射ビームの空間プロファイルを変更できる。スイッチヤード光学系は、例えば、限定されず、光にマスクを適用するレーザベースの積層製造技術に利用することができる。有利なことに、本開示に従った様々な実施形態において、捨てられたエネルギーは、均質化された形態で、あるいは、高い電力効率または高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光として再利用され得る。さらに、捨てられたエネルギーを再利用および再使用して強度を高め、より難しい材料を印刷することができる。
【0056】
画像リレー２２２０は、レーザパターン化ユニット２２１６から直接またはスイッチヤードを介してパターン化された画像（１次元または２次元）を受信し、それを物品処理ユニット２２４０にガイドすることができる。ビーム成形光学系２２１４と同様の方法で、画像リレー２２２０は、結合、集束、発散、反射、屈折、強度の調整、周波数の調整、またはその他の方法でパターン化された光を成形して指向させるための光学系を含むことができる。パターン化された光は、実質的な物理的移動を必要としない可動ミラー、プリズム、回折光学要素、または固体光学系を使用して指向させることができる。複数のレンズアセンブリのうちの１つは、倍率比を有する入射光を提供するように構成でき、レンズアセンブリは光学レンズの第１セットと光学レンズの第２セットの両方を備え、光学レンズの第２セットはレンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに取り付けられた１つまたは複数のミラーセットと構築プラットフォームガントリに取り付けられた最終的なミラーの回転を使用して、先行ミラーからの入射光を所望の場所に向けることができる。補償ガントリと構築プラットフォームガントリの並進運動はまた、物品処理ユニット２２４０の先行ミラーからの入射光の距離が実質的に画像距離と同等であることを保証することができる。事実上、これにより、システムの高可用性を確保しながら、異なる材料の構築領域の場所全体で光ビームの送達サイズと強度を迅速に変更することができる。
【0057】
物品処理ユニット２２４０は、壁付きチャンバ２２４８および床２２４４（総体として構築チャンバを画定する）と、材料を分散するための材料ディスペンサ２２４２とを含むことができる。材料ディスペンサ２２４２は、分散、除去、混合、材料のタイプや粒径のグラデーションや変化の付与、または材料の層厚の調整が可能である。この材料には、金属、セラミック、ガラス、高分子粉末、固体から液体への熱的に誘起された相変化と再び戻ることができる他の可溶材料、またはそれらの組み合わせが含まれ得る。この材料にはさらに、可溶材料と不溶材料の複合材料が含まれ、いずれかまたは両方の成分を撮像リレーシステムによって選択的にターゲットにして、溶融可能な成分を溶融させる一方で、不溶材料に沿って残すか、または気化／破壊／燃焼またはその他の破壊プロセスを行わせることができる。特定の実施形態では、スラリー、スプレー、コーティング、ワイヤー、ストリップ、または材料シートを使用することができる。不要な材料は、送風機、真空システム、掃引、振動、振盪、傾斜、または床２２４６の反転を使用して、使い捨てまたは再利用のために除去することができる。
【0058】
物品処理ユニット２２４０は、材料を扱う構成要素に加えて、３Ｄ構造を保持して支持するための構成要素、チャンバを加熱または冷却するための機構、補助または支持光学系、ならびに材料または環境条件を監視または調整するためのセンサおよび制御機構を含むことができる。物品処理ユニットは、全体または部分的に、真空または不活性ガス大気を支持して、不要な化学的相互作用を減らし、火災または爆発（特に反応性金属）のリスクを軽減することができる。いくつかの実施形態では、様々な純粋または他の大気の混合物が使用され得、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、ＳＦ６、ＣＨ４、ＣＯ、Ｎ２Ｏ、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ｉ－Ｃ４Ｈ１０、Ｃ４Ｈ１０、１－Ｃ４Ｈ８、ｃｉｃ－２、Ｃ４Ｈ７、１，３－Ｃ４Ｈ６、１，２－Ｃ４Ｈ６、Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ５Ｈ１２、ｉ－Ｃ５Ｈ１２、ｎ－Ｃ６Ｈ１４、Ｃ２Ｈ３Ｃｌ、Ｃ７Ｈ１６、Ｃ８Ｈ１８、Ｃ１０Ｈ２２、Ｃ１１Ｈ２４、Ｃ１２Ｈ２６、Ｃ１３Ｈ２８、Ｃ１４Ｈ３０、Ｃ１５Ｈ３２、Ｃ１６Ｈ３４、Ｃ６Ｈ６、Ｃ６Ｈ５－ＣＨ３、Ｃ８Ｈ１０、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、ＣＨ３ＯＨ、ｉＣ４Ｈ８を含むものを含む。いくつかの実施形態では、冷媒または大きな不活性分子（六フッ化硫黄を含むがこれに限定されない）を使用することができる。選択されたパーセンテージの不活性／非反応性ガスとともに、体積（または数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有するエンクロージャ大気組成を使用することができる。
【0059】
特定の実施形態では、それぞれが粉末床を保持するための構築プラットフォームを有する複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバを、１つまたは複数の入射エネルギービームを受け取って構築チャンバに向けるように配置された複数の光学機械アセンブリと組み合わせて使用することができる。複数のチャンバにより、１つまたは複数の構築チャンバ内での１つまたは複数の印刷ジョブを同時に印刷できる。他の実施形態では、着脱可能なチャンバ側壁は、構築チャンバからの印刷された物体の取外しを簡略化することができ、粉末材料の迅速な交換を可能にする。チャンバには、調整可能なプロセス温度制御機能を装備することもできる。さらに他の実施形態では、構築チャンバは、レーザ光学系の近くに配置可能な着脱可能なプリンタカートリッジとして構成することができる。いくつかの実施形態では、着脱可能なプリンタカートリッジは、粉体を含む、または粉体供給源への取外し可能な接続を支持することができる。物品の製造後、着脱可能なプリンタカートリッジを取り外して、新しいプリンタカートリッジに交換することができる。
【0060】
別の実施形態では、１つまたは複数の物品処理ユニットまたは構築チャンバは、固定された高さに維持される構築チャンバを有することができ、一方、光学系は垂直に移動できる。レンズアセンブリの最終光学系と粉末床ａの上面との間の距離は、構築プラットフォームを固定された高さに保ったまま、最終光学系を粉末層の厚さに相当する距離だけ上方にインデックスすることによって、本質的に一定に管理することができる。有利には、構築プラットフォームを垂直方向に移動させる場合と比較して、構築プラットフォームの絶えず変化する質量の正確なミクロンスケールの移動が必要ないため、大きくて重い対象物をより簡単に製造できる。通常、約０．１～０．２立方メートル（すなわち、１００～２００リットルを超えるか、５００～１，０００ｋｇより重い）を超える体積の金属粉末を対象とする構築チャンバは、構築プラットフォームを固定された高さに保つことで最もメリットがある。
【0061】
一実施形態では、粉末床の層の一部を選択的に融解または融合して、粉末床の層の融合部分から１つまたは複数の一時的な壁を形成し、構築プラットフォーム上の粉末床の層の別の部分を含むことができる。選択された実施形態では、改善された熱管理を可能にするために、１つまたは複数の第１壁に流体通路を形成することができる。
【0062】
いくつかの実施形態では、積層製造システムは、ホッパ内で粉末床を構築プラットフォームから実質的に分離するために、傾斜、反転、および振盪することができる粉末床を支持する構築プラットフォームを有する物品処理ユニットまたは構築チャンバを含むことができる。粉末床を形成する粉末状の材料は、後の印刷ジョブで再使用するためにホッパに回収され得る。粉末の回収プロセスは自動化され、粉末の排出と除去を支援するためにバキュームやガスジェットシステムも使用され得る。
【0063】
いくつかの実施形態では、積層製造システムは、利用可能な構築チャンバよりも長い部品を容易に扱うように構成することができる。連続した（長い）部品を、第１ゾーンから第２ゾーンへと縦方向に順次進めることができる。第１ゾーンでは、選択した粒状材料の顆粒を結合できる。第２ゾーンでは、粒状材料の未結合の顆粒を除去することができる。連続部品の第１部分は、第２ゾーンから第３ゾーンに進むことができ、一方、連続部品の最後の部分は第１ゾーン内で形成され、第１部分は、第１部分が第１ゾーンと第２ゾーン内で占めていた横方向および横断方向の同じ位置に維持される。実際には、粒状材料および／または部品の除去のために停止する必要なく、部品コンベア上の異なる場所またはゾーンで、積層製造とクリーンアップ（例えば、未使用または未結合の粒状材料の分離および／または再生）を並行して（すなわち同時に）実行することができる。
【0064】
別の実施形態では、エンクロージャの内部とエンクロージャの外部との間のガス状物質の交換を制限するエンクロージャを使用することによって、積層製造能力を向上させることができる。エアロックは、内部と外部の間のインターフェースを提供し；動力床融合を支持するものを含む、複数の積層製造チャンバを内部に有する。ガス管理システムは、内部のガス状酸素を制限酸素濃度以下に維持し、システムで使用できる粉末のタイプや処理の柔軟性を高める。
【0065】
別の製造実施形態では、物品処理ユニットまたは構築チャンバをエンクロージャ内に収容し、構築チャンバが２，０００キログラム以上の重量を有する部品を作製できるようにすることで、能力を向上させることができる。ガス管理システムは、大気レベル未満の濃度でエンクロージャ内のガス状酸素を維持することができる。いくつかの実施形態では、エアロックは、エンクロージャ内のガス環境とエンクロージャ外のガス環境の間の緩衝、およびエンクロージャとエアロックの両方の外部の場所に動作するため、車輪付き車両は、エンクロージャ内からエアロックを介して部品を搬送することができる。
【0066】
他の製造の実施形態は、粉末床からリアルタイムで粉末サンプルを収集することを含む。インゲスターシステムは、粉末サンプルのインプロセス収集と特性評価に使用される。収集は定期的に実施することができ、特性評価の結果、粉末床融合プロセスの調整が行われる。インゲスターシステムは、必要に応じて、監査、プロセス調整、またはプリンタパラメータの変更やライセンスされた粉末材料の適切な使用の確認などのアクションの１つまたは複数に使用できる。
【0067】
クレーン、リフティングガントリ、ロボットアームなどのマニピュレータ装置を使用することで、または同様に人が動かすことが困難または不可能な部品の操作を可能にする、積層製造プロセスのさらなる改善が可能であると説明されている。マニピュレータ装置は、部品上に永続的または一時的に積層製造された様々な操作点を把握し、部品の再配置や操作を可能にすることができる。
【0068】
制御プロセッサ２２５０は、レーザ、レーザ増幅器、光学系、熱制御、構築チャンバ、およびマニピュレータ装置を含む、本明細書に記載されている積層製造システム２２００の任意の構成要素を制御するために接続することができる。制御プロセッサ３５０は、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続して、動作を調整することができる。制御や監視に使用される情報を提供するために、イメージャ、光強度モニタ、熱センサ、圧力センサ、またはガスセンサなどの幅広いセンサを使用できる。制御プロセッサは、単一の中央コントローラとすることも、または代わりに、１つまたは複数の独立した制御システムを含めることもできる。コントローラプロセッサ２２５０には、製造指示の入力を可能にするインターフェースが設けられている。幅広いセンサを使用することで、品質、製造スループット、およびエネルギー効率を向上させる様々なフィードバック制御機構が可能になる。
【0069】
積層または除去製造に適した製造システムの動作の一実施形態を図２３に示す。この実施形態では、フローチャート２３００は、記述された光学構成要素および機械構成要素によって支持される製造プロセスの一実施形態を示している。ステップ２３０２では、床、チャンバ、またはその他の適切な支持に材料を配置する。材料は、除去製造技術を使用したレーザ切断用の金属板、または溶融、融合、焼結、結晶構造を変化させるための誘導、応力パターンの影響を受ける、またはその他の方法で化学的または物理的に積層製造技術によって変更して所望の特性を有する構造を形成することができる粉末であり得る。
【0070】
ステップ２３０４では、パターン化されていないレーザエネルギーが、固体または半導体レーザを含むがこれに限定されない、１つまたは複数のエネルギー放射体によって放出され、その後、１つまたは複数のレーザ増幅器によって増幅される。ステップ２３０６では、パターン化されていないレーザエネルギーを成形し、修正する（例えば、強度変調または集束）。ステップ２３０８では、このパターン化されていないレーザエネルギーをパターン化し、パターンの一部を形成していないエネルギーはステップ２３１０で処理される（これには、廃熱への変換、パターン化されたエネルギーまたはパターン化されていないエネルギーとしての再利用、またはステップ２３０４でレーザ増幅器を冷却することによって発生する熱の廃棄が含まれ得る）。ステップ２３１２では、ここで１次元または２次元の画像を形成するパターン化されたエネルギーが材料に向けて中継される。ステップ２３１４では、画像が材料に適用され、３Ｄ構造の一部が除去処理されるか、または積層的に構築される。積層製造では、画像（または異なる画像と後続の画像）が材料の最上層の必要なすべての領域に適用されるまで、これらの手順を繰り返すことができる（ループ２３１６）。材料の最上層へのエネルギーの適用が終了したら、新しい層を適用して（ループ２３１８）、引き続き３Ｄ構造を構築できる。これらのプロセスループは、残った余分な材料を除去または再利用できる場合、３Ｄ構造が完成するまで継続される。
【0071】
図２４は、パターン化された２次元エネルギーの再使用を可能にするスイッチヤードシステムを含む積層製造システムの一実施形態である。積層製造システム２４２０は、１つまたは複数の連続または断続的なレーザビームをビーム成形光学系２４１４に向けるレーザおよび増幅器源２７１２を備えたエネルギーパターン化システムを有する。余剰の熱は、拒絶エネルギー処理ユニット２４２２に伝達することができる。成形後、ビームは、エネルギーパターン化ユニット２４３０によって２次元的にパターン化され、一般に、一部のエネルギーが拒絶エネルギー処理ユニット２４２２に向けられる。パターン化されたエネルギーは、複数の画像リレー２４３２の１つによって、１つまたは複数の物品処理ユニット２４３４Ａ、２４３４Ｂ、２４３４Ｃ、または２４３４Ｄに向けて、典型的には可動のまたは固定された高さの床の近くに焦点を合わされた２次元画像として中継される。床は、粉末ホッパまたは同様の材料ディスペンサを含むカートリッジ内にあり得る。画像リレー２４３２によって指示されるパターン化されたレーザビームは、溶融、融合、焼結、結合、結晶構造の変化、応力パターンへの影響、またはその他の方法で、化学的または物理的に、分注された材料を変更して、所望の特性を有する構造を形成することができる。
【0072】
この実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、拒絶されたパターン化されたエネルギーの再使用を可能にするために複数の構成要素を有する。レーザ増幅器およびレーザ源２４１２からの冷却流体は、発電機２４２４、加熱／冷却熱管理システム２４２５、またはエネルギーダンプ２４２６のうちの１つまたは複数に向けることができる。さらに、リレー２４２８Ａ、２４２８Ｂ、および２４２８Ｃは、エネルギーを発電機２４２４、加熱／冷却熱管理システム２４２５、またはエネルギーダンプ２４２６にそれぞれ転送することができる。任意選択で、リレー２４２８Ｃは、さらなる処理のために、パターン化されたエネルギーを画像リレー２４３２に向けることができる。他の実施形態では、パターン化されたエネルギーを、リレー２４２８Ｃによってリレー２４２８Ｂおよび２４２８Ａに向け、レーザおよび増幅器源２４１２によって提供されるレーザビームに挿入することができる。画像リレー２４３２を使用して、パターン化された画像の再使用も可能である。画像は、１つまたは複数の物品処理ユニット２４３４Ａ～Ｄに配信するために、リダイレクト、反転、ミラーリング、サブパターン化、または他の方法で変換することができる。有利には、パターン化された光の再使用は、積層製造プロセスのエネルギー効率を改良し、いくつかの場合には床に向けられるエネルギー強度を改良する、または製造時間を短縮することができる。
【0073】
本発明の多くの修正および他の実施形態は、上記の説明および関連する図面に示された教えの利益を有する当業者の頭に浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、修正および実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図していると理解される。また、本発明の他の実施形態は、本明細書で特に開示されていない要素／ステップがない場合にも実施できることが理解される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図19D】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【国際調査報告】