知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2024-10-16
(54)【発明の名称】付加プリントシステムのスペックル低減
(51)【国際特許分類】
B23K 26/34 20140101AFI20241008BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20241008BHJP
B23K 26/067 20060101ALI20241008BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20241008BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20241008BHJP
B29C 64/268 20170101ALI20241008BHJP
B29C 64/153 20170101ALI20241008BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20241008BHJP
B22F 12/44 20210101ALI20241008BHJP
B22F 12/42 20210101ALI20241008BHJP
B22F 12/45 20210101ALI20241008BHJP
B28B 1/30 20060101ALI20241008BHJP
H01S 3/00 20060101ALI20241008BHJP
H01S 3/10 20060101ALI20241008BHJP
【ＦＩ】
B23K26/34
B23K26/21 Z
B23K26/067
B23K26/064 K
B33Y30/00
B29C64/268
B29C64/153
B22F10/28
B22F12/44
B22F12/42
B22F12/45
B28B1/30
H01S3/00 B
H01S3/10 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024504806
(86)(22)【出願日】2022-07-26
(85)【翻訳文提出日】2024-02-09
(86)【国際出願番号】 US2022038381
(87)【国際公開番号】W WO2023009544
(87)【国際公開日】2023-02-02
(31)【優先権主張番号】63/225,742
(32)【優先日】2021-07-26
(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】110004185
【氏名又は名称】インフォート弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ジャーボー ジェフリー
(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】デムス，ジェイムズ エー．
(72)【発明者】
【氏名】リード，フランシス エル．
(72)【発明者】
【氏名】シェン イユ
【テーマコード（参考）】
4E168
4F213
4G052
4K018
5F172
【Ｆターム（参考）】
4E168BA35
4E168BA81
4E168DA23
4E168DA24
4E168DA25
4E168DA26
4E168EA02
4E168EA04
4E168EA07
4E168EA11
4E168FB03
4E168FB06
4F213AC04
4F213WA25
4F213WB01
4F213WL03
4F213WL13
4F213WL76
4G052DA02
4G052DB12
4G052DC06
4K018CA44
4K018EA51
4K018EA60
5F172DD01
5F172DD06
5F172NR12
5F172NR14
5F172ZZ01
(57)【要約】
付加製造システムは、少なくとも１つのレーザ源と、少なくとも１つのレーザ源からの光を受け取るスペックル低減システムとを含み得る。スペックル低減システムは、レーザ光の均一性を高める光学ホモジナイザにレーザ光を提供し、その光をエリアパターニングシステムに提供し得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つのレーザ源と、前記少なくとも１つのレーザ源から光を受け取るスペックル低減システムと、
前記スペックル低減システムから受け取ったレーザ光の均一性を高める光学ホモジナイザと、
前記光学ホモジナイザを通じて向けられたレーザ光を受け取るエリアパターニングシステムと
を含む、付加製造システム。
【請求項2】
前記スペックル低減システムは、共通のファイバ内で結合された複数のレーザを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項3】
前記スペックル低減システムは、異なる長さのファイバスプリッタを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項4】
前記スペックル低減システムは、レーザパルスにスペクトル帯域幅を追加するＲＦ変調器を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項5】
前記スペックル低減システムは、モードの数を増加させるラージエリアモードファイバを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項6】
前記スペックル低減システムは、前記マルチモードファイバの変位を引き起こすためのアクチュエータを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項7】
前記スペックル低減システムは、調整可能な音響勾配（ＴＡＧ）レンズを含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項8】
前記スペックル低減システムは、音響光学偏向器を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項9】
前記スペックル低減システムは、電気光学偏向器を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項10】
前記スペックル低減システムは、熱光学偏向器を含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項11】
前記付加製造システムは、空間ライトバルブを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【請求項12】
前記付加製造は、複数の目標物にレーザを向けるための複数のビームリレーを更に含む、請求項１に記載の付加製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願
本開示は、２０２１年７月２６日に出願された米国特許出願第６３／２２５，７４２号の優先権を主張する非仮特許出願の一部であり、その全体が参照により組み込まれる。
本開示は、２０２１年７月２６日に出願された米国特許出願第６３／２２５，７４２号の優先権を主張する非仮特許出願の一部であり、その全体が参照により組み込まれる。
【0002】
技術分野
本開示は、一般的に、高出力固体レーザ又はダイオードレーザ及び回折光学ホモジナイザの使用を提供する付加製造システムに関する。より具体的には、高時間コヒーレンスで高ピーク出力のレーザシステムに適したレーザスペックル低減技術が説明される。
本開示は、一般的に、高出力固体レーザ又はダイオードレーザ及び回折光学ホモジナイザの使用を提供する付加製造システムに関する。より具体的には、高時間コヒーレンスで高ピーク出力のレーザシステムに適したレーザスペックル低減技術が説明される。
【背景技術】
【0003】
高フルエンスで長時間動作することが可能な光を備えた高出力レーザシステムは、高エネルギレーザの使用から利益を得ることができる付加製造及びその他の用途に有用である。固体レーザシステムは、高ピーク出力が可能であり、多くの付加製造用途のプラットフォームとして機能し得る。残念ながら、所望のビーム形状に渡って均一な強度分布を生み出すことが可能な高ピーク出力固体レーザシステムは困難であり得る。正確なプロセス制御を維持し、ピークを最小限に抑える均一な強度分布がなければ、エネルギのスケーリング又は長期間の動作は困難であり得る。
【0004】
本開示の非限定的で非網羅的な実施形態は、以下の図を参照して説明され、別段の指定がない限り、様々な図を通して同様の参照番号は同様の部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1A】高出力レーザ用のスペックル低減システムを説明する。
【図1B】共通のファイバ内で結合された複数のレーザを使用したスペックル低減を説明する。
【図1C】異なる長さのファイバスプリッタを使用したスペックル低減を説明する。
【図1D】レーザパルスにスペクトル帯域幅を追加するＲＦ変調器を使用したスペックル低減を説明する。
【図1E】モードの数を増加させるラージエリアモードファイバを使用したスペックル低減を説明する。
【図1F】マルチモードファイバの変位を引き起こすためのアクチュエータを使用したスペックル低減を説明する。
【図1G】スペックルパターンを変更するための様々な機構及び光学系を使用したスペックル低減を説明する。
【図2】スペックル低減システムをサポートする高フルエンスライトバルブベースの付加製造システムのブロック図を説明する。
【図3】スペックル低減システムを備えた高フルエンス付加製造システムを説明する。
【図4】スペックル低減システムを備えた高フルエンス付加製造システムの別の実施形態を説明する。
【図5】スイッチヤードアプローチを組み込み、スペックル低減システムを含む高フルエンス付加製造の別の実施形態を説明する。
【発明を実施するための形態】
【0006】
以下の説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面では、開示が実践され得る具体的で例示的な実施形態を説明する方法によって示されている。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示する概念を実践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、開示する様々な実施形態への修正がなされ得、その他の実施形態が利用され得ることを理解すべきである。以下の詳細な説明は、それ故、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【0007】
以下の開示では、付加製造システムは、少なくとも１つのレーザ源と、少なくとも１つのレーザ源から光を受け取るスペックル低減システムとを含み得る。スペックル低減システムは、レーザ光の均一性を高める光学ホモジナイザにレーザ光を提供し、その光をエリアパターニングシステムに提供し得る。
【0008】
図１Ａは、高出力レーザ用のスペックル低減システム１００Ａを説明する。１つ以上のレーザ源１０２Ａは、ダイオードレーザ又は固体レーザを含み得るが、これらに限定されない。レーザビームは、スペックル低減システム１１０Ａに向けられ得、アンプシステム１２０Ａを使用して増幅され得る。増幅されたエネルギレーザビームは、レーザビームの均一性を高めるために光学ホモジナイザ１２２Ａを通じて向けられ得、直接又はリレー光学系を通じて目標物１５０Ａに向けられ得る。幾つかの実施形態では、レーザビームは、二次元付加製造に有用な二次元パターン化ビームを提供するために、エリアパターニングシステム１３０を使用して、目標物１５０Ａに向ける前に任意にパターン化され得る。
【0009】
レーザ源１０２Ａは、説明したスペックル低減システム１１０Ａと組み合わせて使用できる様々な波長の広範囲のレーザを含み得る。幾つかの実施形態では、可能なレーザの種類は、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、又は核励起レーザを含むが、これらに限定されない。
【0010】
ガスレーザは、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、又はエキシマレーザ等のレーザを含み得る。
【0011】
化学レーザは、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）、又はＡｇｉｌ（全気相ヨウ素レーザ）等のレーザを含み得る。
【0012】
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、又はマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ２）蒸気レーザ等のレーザを含み得る。ルビジウム又はその他のアルカリ金属蒸気レーザも使用され得る。固体レーザは、ルビーレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジムドープオルトバナジン酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザ、ネオジムドープトイットリウムカルシウムオキソボレートＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３若しくは単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジムガラス（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（ガラス若しくはセラミック）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、及びファイバ）、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（又はカルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープリン酸ガラス（１４７Ｐｍ＋３：ガラス）固体レーザ、クロムドープクリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウムドープアンデ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、又はＦ中心レーザ等のレーザを含み得る。
【0013】
半導体レーザは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、ハイブリッドシリコンレーザ、又はそれらの組み合わせ等のレーザ媒質タイプを含み得る。
【0014】
スペックル低減システム１１０Ａは、様々な実施形態を含み得る。例えば、共通のファイバ内で結合された複数のレーザを使用した、異なる長さのファイバスプリッタを使用した、レーザパルスにスペクトル帯域幅を追加するＲＦ変調器を使用した、又はモードの数を増加させるラージエリアモードファイバを使用したスペックル低減がサポートされる。代替的又は追加的に、変位を引き起こすためのアクチュエータを使用した、又は様々な光学的又は音響的偏向器又は修正器を使用したスペックル低減が使用され得る。
【0015】
増幅システム１２０Ａは、１つ以上のプリアンプ又はアンプを含み得る。幾つかの実施形態では、レーザ信号に高利得を提供するために、様々なプリアンプ又はアンプが随意に使用される一方、光変調器及びアイソレータは、光損傷を軽減又は回避し、信号コントラストを改善し、システム１００Ａのより低いエネルギ部分への損傷を防止するためにシステム全体に分散され得る。光変調器及びアイソレータは、ポッケルスセル、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、又は体積ブラッグ回折格子を含み得るが、これらに限定されない。プリアンプ又はアンプは、ダイオード励起アンプ又はフラッシュランプ励起アンプであり得、シングル及び／若しくはマルチパス又はキャビティ型アーキテクチャで構成され得る。理解されるように、ここでの用語、プリアンプは、レーザアンプ（大型）に対して、熱的に制限されない（すなわち、小型である）アンプを指すために使用される。アンプは通常、増幅システム１２０Ａの最終ユニットであるように位置決めされるであろうが、熱破壊又は過剰な熱レンズを含むがこれらに限定されない熱損傷を受けやすい最初のモジュールであろう。
【0016】
レーザプリアンプは、エネルギ効率をあまり気にしないシステムで使用可能なシングルパスプリアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各プリアンプからエネルギの大部分を抽出するようにマルチパスプリアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なプリアンプの数は、システム要件及び各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、（例えば、波長板又はファラデー回転子を使用して）角度多重化又は偏光スイッチングを通じて実現され得る。
【0017】
或いは、プリアンプは、再生アンプタイプの構成を有するキャビティ構造体を含み得る。こうしたキャビティ構造体は、典型的な機械的考慮事項（キャビティの長さ）に起因して最大パルス長を制限し得るが、幾つかの実施形態では、“ホワイトセル”キャビティが使用され得る。“ホワイトセル”は、各パスに小さな角度偏差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。入口及び出口の経路を設けることによって、こうしたキャビティは入口と出口の間に非常に多くのパスを有するように設計され得、アンプの大きな利得と効率的な使用とを可能にする。ホワイトセルの一例は、軸から僅かに外れたビームが入射され、何度も通過した後に反射がミラー上にリングパターンを創出するようにミラーが傾けられた共焦点キャビティであろう。入射角度及びミラー角度を調整することによって、パスの数を変更できる。
【0018】
アンプは、ダイオード励起であろうとフラッシュランプ励起であろうと、システムに必要な繰り返し率での動作を可能にするための十分な熱管理をサポートしつつ、システムエネルギ要件を満たすのに十分な蓄積エネルギを提供するためにも使用される。動作中に生成された熱エネルギ及びレーザエネルギは共に、熱伝達装置、熱エンジン、冷却システム、及びビームダンプに向けられ得る。
【0019】
アンプは、シングル及び／若しくはマルチパス又はキャビティ型アーキテクチャで構成され得る。アンプは、エネルギ効率をあまり気にしないシステムで使用可能なシングルパスアンプを含み得る。よりエネルギ効率の高いシステムの場合、次の段階に進む前に各アンプから多くのエネルギを抽出するようにマルチパスアンプが構成され得る。特定のシステムに必要なアンプの数は、システム要件と各アンプモジュールで利用可能な蓄積エネルギ／利得によって定義される。マルチパスプリ増幅は、角度多重化、偏光スイッチング（波長板、ファラデー回転子）を通じて実現され得る。或いは、アンプは、再生アンプタイプの構成を備えたキャビティ構造体を含み得る。プリアンプに関して論じたように、アンプは電力増幅に使用され得る。
【0020】
光学ホモジナイザ１２２Ａは、ビーム整形拡散板とも称される制御散乱ホモジナイザを含み得る。幾つかの実施形態では、制御散乱ホモジナイザは、回折光学素子（ＤＯＥ）、マイクロレンズアレイ、又は広帯域拡散板ホモジナイザを使用して、所定の角度及び角度毎の強度比で光を散乱させる、高度に定義された位相面を提供する。回折拡散板は、通常、単色であり、特定の波長でのみ機能する。有利なことに、回折拡散板は、それらのリソグラフィによる製造プロセスに起因して、回折限界のエッジの鮮明さと絶対角度の精度を有し得る。このことは、レーザ工業処理及び付加製造等、正確な拡散角度を必要とする高フルエンスレーザ用途にそれらを特に有用にする。マイクロレンズアレイ等の屈折拡散板は、材料が透明な全ての波長で機能し得、高い効率を有し得る。広帯域拡散板は、回折拡散板の完全な形状自由度の利点を、屈折拡散板の多色性及び高効率の利点と組み合わせる。これは、光の屈折散乱と回折散乱との両方を有する表面を定義することによって行われる。
【0021】
パターン化されたタイル又は二次元エリアとして目標物１５０Ａに向けることが可能なレーザを提供するために、エリアパターニング１３０Ａが使用され得る。幾つかの実施形態では、光変調器が使用され得る。例えば、ライトバルブ（ＬＶ）としても知られる透過型又は反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）は、光変調器の一種であり、ビーム全体に渡って情報を均等に印可する（１Ｄ変調）、並列化された光チャネルを形成するためにビームに渡って変化を提供する（２Ｄ変調）、又は画素／ボクセルチャネルの体積に渡って変化を提供する（３Ｄ変調）ために使用され得る。課せられる情報は、振幅、位相、偏光、波長、コヒーレンス、又は量子もつれの形式を取り得る。ＬＶは、光場と構造化力との間の結合を可能にする材料への構造化力の印加を通じて、情報が入射光場に伝達される電気光学デバイスを含み得る。こうしたデバイスは、透明導電性酸化物（λ１における入射光場へのＴＣＯ）、光伝導体（ＰＣ）、及び電気光学材料（ＥＯＭ）を含む電気回路で構成され得る。ＴＣＯは、（通常は波長λ２の低エネルギ／フルエンス光場の形式の）構造化力が、電気光学材料に渡ってその後印加される空間的に変化する電圧として光伝導体に印加されるように、光伝導体を活性化する。電気光学材料は、空間的に変化する電圧との反応を通じて、この空間情報を光場に伝達する。光場は、上に挙げた属性の内の１つ以上の空間情報を伝えてデバイスから出る。
【0022】
幾つかの実施形態では、レーザビームは、固定素子又は可動素子を備えたマスクでブロックすることによってパターン化され得る。画像パターン化の柔軟性と容易性を高めるために、画素アドレッシング可能なマスキング、画像生成、又は透過が使用され得る。幾つかの実施形態では、レーザパターニングユニットは、アドレッシング可能なライトバルブを単独で、又はパターニングを提供するためのその他のパターニング機構と併せて含む。ライトバルブは、透過型、反射型であり得、又は透過型素子と反射型素子との組み合わせを使用し得る。パターンは、電気的又は光学的アドレッシングを使用して動的に修正され得る。一実施形態では、透過型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレッシングされた画素は、投光源によって画定されるパターンを形成する。別の実施形態では、反射型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、読み出しビームの偏光を修正するための書き込みビームを含む。特定の実施形態では、非光学的にアドレッシングされたライトバルブが使用され得る。これらは、電気的にアドレッシング可能な画素素子、可動ミラー若しくはマイクロミラーシステム、圧電若しくは微小駆動光学システム、固定マスク若しくは可動マスク、又はシールド、又は高強度光パターニングを提供できる任意のその他の従来のシステムを含み得るが、これらに限定されない。
【0023】
目標物１５０Ａは、減法、切断若しくはレーザドリリング、又は付加処理に適した材料又は製品を含み得る。金属、セラミック、プラスチック、ポリマー材料、ガラス、又はその他の溶融可能な材料が使用され得る。付加製造に有用な幾つかの実施形態では、目標物は、粉末床によって支持される金属粉末又はセラミック粉末であり得る。様々な種類の材料が分配され得、除去され得、混合され得、材料の種類若しくは粒子サイズに段階的変化若しくは変更が加えられ得、又は材料の層の厚さが調整され得る。材料は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー粉末、固体から液体へそして再び戻る熱的に誘発される相変化を受けることが可能なその他の溶融可能な材料、又はそれらの組み合わせを含み得る。材料は、溶融性材料と非溶融性材料との複合体を更に含み得、その場合、何れか又は両方の成分は、非溶融性材料を残したままにしつつ、又は非溶融性材料に蒸発／破壊／燃焼若しくはその他の破壊的なプロセスを生じさせつつ、溶融性の成分を溶融するように選択的に目標にされ得る。特定の実施形態では、材料のスラリー、スプレー、コーティング、ワイヤ、ストリップ、又はシートが使用され得る。
【0024】
図１Ｂは、共通のファイバ内で結合された複数のレーザを使用したスペックル低減システム１１０Ｂを含むシステム１００Ｂを説明する。複数のレーザ源１０２Ｂは、実効コヒーレンスを低下させ、スペックルコントラストを低下させるように、レーザ光を共通のファイバに注入するために使用される。複数（２つ以上）のレーザ源１０２Ｂは、レーザアンプシステム１２０Ｂ中に発射する単一の伝送ファイバ１１４Ｂに結合するファイバ結合器１１２Ｂ中に発射される。レーザアンプシステム１２０Ｂの出力は、目標物１５０Ｃに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｂに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｃに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0025】
動作中、複数のコヒーレントダイオード光源は、マルチモードスプリッタを通じて一緒に結合される。各ダイオードレーザは、高い時間コヒーレンス長を有し、スペックルの生成につながる固定数のモードを生み出す。異なる時間コヒーレンスと中心波長とを備えた複数のダイオードレーザ源を一緒に結合することで、増幅前にパルスの線幅分布が広げられる。複数の光源からの非コヒーレントなスペックルパターンがパルス中に合計され、レーザの各パルスの実効スペックルフラックスが減少する。幾つかの実施形態では、コア直径は５～１０ミクロンよりも大きく、１００ミクロンよりも大きいコア直径は、有利なことに、異なるレーザ源１０２Ｂに与えられる異なるモード伝播及びコヒーレンスの効果を最大化するように機能する多数の空間モードを提供する。
【0026】
図１Ｃは、異なる長さのファイバスプリッタを使用したスペックル低減システム１１０Ｃを含むシステム１００Ｃを説明する。レーザ源１０２Ｃは、複数の異なる長さのファイバ１１３Ｃに結合するファイバスプリッタ１１２Ｃ中に発射されるレーザビームを提供する。これらのファイバの長さは、１メートル～１ｋｍ以上の様々であり得るが、通常は２０ｍ未満であり得る。これらのファイバ１１３Ｃは、ファイバ結合器内で結合され、単一の伝送ファイバ１１４Ｃを通じてアンプシステム１２０Ｃに伝送される。レーザアンプシステム１２０Ｃの出力は、目標物１５０Ｃに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｃに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｃに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0027】
動作中、異なる長さのファイバを設けることは、それらの夫々のコヒーレンス長を超えてパルスを時間的にオフセットするのに役立つ。このことは、スペックルコントラストを効果的に低下させる。
【0028】
図１Ｄは、レーザパルスにスペクトル帯域幅を追加するＲＦ変調器を使用したスペックル低減システム１１０Ｄを含むシステム１００Ｄを説明する。レーザ源１０２Ｄは、自由空間結合又はファイバベースの何れかであるＲＦ変調器１１２Ｄ中に発射される。このＲＦ変調器１１２Ｄは、ＲＦ位相変調器１１２Ｄにおいて所望のスペクトル帯域幅を達成するのに十分な位相変調深さを提供するために、ＲＦアンプ１１８Ｄによって増幅されるＲＦ発振器１１６Ｄによって駆動される。スペックル低減を達成するために必要なスペクトル帯域幅はシステムに依存するが、最小１ＧＨｚ（１ミクロン近赤外スペクトルで約０．００３ｎｍ）～最大３００ＧＨｚ（同じ１ミクロン近赤外スペクトルで約１ｎｍ）の様々であり得る。ＲＦ位相変調器１１２Ｄの出力は、単一の伝送ファイバ１１４Ｄを通じてレーザアンプシステム１２０Ｄに伝送される。レーザアンプシステム１２０Ｄの出力は、目標物１５０Ｄに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｄに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｄに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0029】
動作中、時間依存の波長は、時間依存のスペックルパターンを創出するように、ファイバを通って異なって伝播する。レーザパルス時間に渡って合計すると、平均又は平滑化されたスペックルコントラストが得られる。
【0030】
図１Ｅは、モードの数を増加させるラージエリアモードファイバを使用したスペックル低減システム１１０Ｅを含むシステム１００Ｅを説明する。レーザ源１０２Ｅは、伝送ファイバ１１４Ｅ及びレーザプリアンプシステム１２２Ｅ中に発射される。プリアンプシステム１２２Ｅの出力は、ベリーラージモードエリアファイバ１１６Ｅ中に発射され、このファイバの直径は１００ミクロン～２０００ミクロンの範囲であり得、典型的な値は５００～１０００ミクロンの範囲で使用される。ラージモードファイバ１１６Ｅの出力は、メインレーザアンプシステム１２０Ｅに結合される。レーザアンプシステム１２０Ｅの出力は、目標物１５０Ｅに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｅに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｅに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0031】
動作中、ラージエリアモードファイバの使用は、モードの数を増加させる。有利なことに、モードを増加させることはスペックルサイズの減少をもたらす。
【0032】
図１Ｆは、マルチモードファイバの変位を引き起こすためのアクチュエータを使用したスペックル低減システム１１０Ｆを含むシステム１００Ｆを説明する。レーザ源１０２Ｆは、アクチュエータ１１６Ｆ（圧電アクチュエータ又は超音波アクチュエータ１１６Ｆを含むが、これらに限定されない）によって駆動されるブロック１１２Ｆ内に保持されている伝送ファイバ１１４Ｆ中に発射される。アクチュエータは、伝送ファイバのコイルのモード変化を誘発するのに十分な振幅及び周波数のものでなければならない。付加製造に使用される種類のレーザに十分な駆動条件の例は、１～１０ｕｍの範囲の振幅で、１００ｋＨｚ～１０ＭＨｚの範囲の周波数であろう。伝送ファイバ１１４Ｆは、レーザアンプシステム１２０Ｆ中に発射される。レーザアンプシステム１２０Ｆの出力は、目標物１５０Ｆに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｆに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｅに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0033】
動作中、アクチュエータの使用は、ファイバ１１４Ｆの変位を引き起こす。このことは、ファイバ１１４Ｆを通るモード経路の修正に起因するスペックルパターンの変化を誘発する。
【0034】
図１Ｇは、スペックルパターンを変更するための様々な光学的及び音響的偏向器又は修正器を使用したスペックル低減システム１１０Ｇを含むシステム１００Ｇを説明する。レーザ源１０２Ｇは変調器１１２Ｇ中に発射される。この変調器１１２Ｇはコントローラ１１６Ｇによって駆動される。変調器１１２Ｇの出力は、単一の伝送ファイバ１１４Ｇを通じてレーザアンプシステム１２０Ｇに伝送される。レーザアンプシステム１２０Ｇの出力は、目標物１５０Ｇに画像を創出するレーザホモジナイザシステム１３０Ｇに向けられる。幾つかの実施形態では、レーザは、目標物１５０Ｇに向けられる前に、図１Ａに関して論じたようなエリアパターニングシステムを通じて向けられ得る。
【0035】
異なる動作特性を有する様々な種類の変調器１１２Ｇが使用され得る。例えば、パルスの透過角度を時間の関数として変化させる音響光学偏向器は、変調器１１２Ｇとして機能し得る。この角度の偏差は、下流のファイバシステムでスペックルパターンを変化させる。偏向器パラメータは、ビームの偏向がレーザパルス長内で発生し、伝送されるビームのスペックルパターンの変化を誘発するのに十分な偏向で発生するように選択される。
【0036】
別の実施形態では、変調器１１２Ｇは、時間の関数としてファイバ中への発射条件を変更し得、その結果スペックルパターンを変更し得る調整可能な音響勾配（ＴＡＧ）レンズを使用する。コントローラ１１６Ｇ及びレンズの能力は、レーザパルスに影響を与えるのに十分な振幅の焦点距離の変化を十分に短い時間で誘発するのに十分なものでなければならない。例えば、焦点力の変化が１～１０ジオプトリである場合に１００ｋＨｚ～１０ＭＨｚが使用され得る。
【0037】
別の実施形態では、変調器１１２Ｇは、時間の関数としてパルスの透過角度を変化させる電気光学偏向器を使用する。この角度の偏差は、下流のファイバシステムでスペックルパターンを変化させる。コントローラ１１６Ｇ及び偏向器の能力は、レーザパルスに影響を与えるのに十分な振幅の偏向を十分に短い時間で誘発するのに十分なものでなければならない。例えば、適切な条件は、偏向が８～９０ｍｒａｄである場合に１００ｋＨｚ～１ＧＨｚであろう。
【0038】
別の実施形態では、変調器１１２Ｇは、時間の関数としてパルスの透過角度の変化をもたらすように導波路の局所屈折率を変化させる熱光学偏向器を使用する。この角度の偏差は、スペックルパターンに変化を引き起こす。光源及び偏向器の能力は、レーザパルスに影響を与えるのに十分な振幅の偏向を十分に短い時間で誘発するように選択されなければならない。例えば、適切な条件は、偏向が８～１８０ｍｒａｄである場合に１００Ｗ～２ｋＷであろう。
【0039】
開示に説明されるようなスペックル制御は、様々な用途及び様々なパルスフォーマットレジームに有用である。例えば、０．１～１００マイクロ秒に渡るパルスフォーマットレジームは、ピーク電力が、プラズマミラー等のプラズマ誘起効果が最小限に抑えられるパルスレジームで動作すると同時に、より低い正味平均電力で材料の溶融を達成するドリリング等の用途に有利である。
【0040】
他の実施形態では、スペックル低減は、損傷閾値に敏感な光学系と相互作用する場合、又はプリント欠陥（すなわち、溶融不足及び溶融過多（沸騰及び／又はプラズマ生成）を回避するために、付加製造システムのプリント床でピークを平均化するように制御する場合に使用され得る。ピークを平均値に下げると、溶融均一性が向上し、それ故、プリント材料の溶融品質が向上する。幾つかの実施形態では、スペックル低減は、大規模なスペックル付加製造、レーザピーニングシステム、レーザ加工、又は材料が目標物位置で熱的に修正され均一性が望まれるその他のレーザベースのターゲティングシステムを調整するために、ライトバルブと組み合わせて有用である。幾つかの実施形態では、本明細書に説明するようなスペックル低減は、さもなければ２：１、１．５：１、又は１．２：１未満のピーク対平均値を有する可能性があるシステムにおいて均一性を高めるために使用されるコンポーネントであり得る。
【0041】
図２は、スペックル低減システムを含む付加製造システム２００の使用を説明する。一実施形態では、レーザ源及びスペックル低減システム２０２は、レーザプリアンプ及び／又はアンプ２０４を通じて、空間光バルブを随意に含み得る位相制御システム２０６にレーザビームを向ける。位相パターニングの後、光はプリント床２１０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、レーザ源２０２、レーザプリアンプ及び／又はアンプ２０４、又は位相制御システム２０６からの熱又はレーザエネルギは、能動的又は受動的に、熱伝達装置、熱エンジン、冷却システム、及びビームダンプ２０８に伝達され得る。ライトバルブベースの付加製造システム２００の全体的な動作は、レーザ出力及びタイミングを修正し得る１つ以上のコントローラ２２０によって制御され得る。
【0042】
幾つかの実施形態では、システム２００の動作中に生成された熱エネルギ及びレーザエネルギは、熱伝達装置、熱エンジン、冷却システム、及びビームダンプ２０８に向けられ得る。代替的又は追加的に、幾つかの実施形態では、ビームダンプ２０８は、他の工業プロセスに、有用な熱を提供するための熱伝達システムの一部であり得る。更に他の実施形態では、機械力、熱電力、又は電力を生成するのに適した熱エンジンに動力を供給するために、熱は使用され得る。幾つかの実施形態では、接続されたコンポーネントの温度を上昇させるために廃熱が使用され得る。理解されるように、このアーキテクチャでは、適切な熱管理と光絶縁とを備えたより多くのプリアンプ及びアンプを追加することによって、レーザ束及びエネルギがスケーリングされ得る。冷却システムの熱除去特性に対する調整は、性能を調整するためにポンプ速度の増加又は冷却効率の変更を使用することで可能である。
【0043】
図３は、スペックル低減システムを含む付加製造システム３００を説明する。図３に見られるように、レーザ源、スペックル低減システム、及びアンプ３１２は、位相制御システム、空間ライトバルブ、及びレーザアンプ、並びに以前に説明したようなその他のコンポーネントを含み得る。図３に説明するように、付加製造システム３００は、レーザパターニングシステム３１０の一部として一次元又は二次元の指向性エネルギを提供できるレーザを使用する。幾つかの実施形態では、位相パターン又はホログラフィック画像が向けられ得る。他の実施形態では、一次元パターニングは、直線状又は曲線状のストリップとして、ラスター線として、螺旋状の線として、又は任意の他の適切な形態で向けられ得る。分離されたタイル又は重なり合ったタイル、又はレーザ強度が変化する画像の使用と共に、二次元又は三次元の位相又は画像パターニングの実施形態も可能である。非正方形の境界を有する二次元又は三次元の位相又は画像パターンが使用され得、重なり合う又は相互貫入する画像が使用され得、画像は２つ以上のエネルギパターニングシステムによって提供され得る。レーザパターニングシステム３１０は、１つ以上の連続的又は断続的なエネルギビームをビーム整形光学系３１４に向けるために、レーザ源及びアンプ３１２を使用する。整形後、必要に応じて、ビームは、透過型又は反射型のライトバルブの何れかを含み得るレーザパターニングユニット３１６によってパターン化され、一般的に、幾らかのエネルギは廃棄エネルギ処理ユニット３１８に向けられる。廃棄エネルギ処理ユニットは、ライトバルブの冷却の作動によって提供される熱を利用し得る。位相又は画像パターン化されたエネルギは、一実施形態では、床３４６の近くに焦点を合わせた二次元画像３２２として、画像リレー３２０によって物品処理ユニット３４０に向けて中継される。床３４６（任意の壁３４８を有する）は、材料ディスペンサ３４２によって吐出された材料３４４（例えば、金属粉末）を含むチャンバを形成し得る。画像リレー３２０によって向けられたパターン化されたエネルギは、所望の特性を有する構造体を形成するように、吐出された材料３４４を溶融し得、融合し得、焼結し得、結合し得、結晶構造を変化させ得、応力パターンに影響を与え得、又はその他の方法で化学的又は物理的に修正し得る。制御プロセッサ３５０は、レーザ源及びアンプ３１２、ビーム整形光学系３１４、レーザパターニングユニット３１６、及び画像リレー３２０、並びにシステム３００の任意のその他のコンポーネントの動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、及びコントローラに接続され得る。理解されるように、接続は、有線又は無線、連続的又は断続的であり得、フィードバック機能を含み得る（例えば、センシングされた温度に応じて加熱が調整され得る）。
【0044】
幾つかの実施形態では、ビーム整形光学系３１４は、結合、焦点合わせ、発散、反射、屈折、均質化、強度調整、周波数調整する、又はその他の方法で、レーザ源及びアンプ３１２から受け取った１つ以上のレーザビームを整形してレーザパターニングユニット３１６に向けるための非常に多様な結像光学系を含み得る。一実施形態では、別個の光波長を各々有する複数の光ビームは、波長選択ミラー（例えば、ダイクロイック）又は回折素子を使用して結合され得る。他の実施形態では、複数のビームは、多面ミラー、マイクロレンズ、及び屈折又は回折光学素子を使用して均質化又は結合され得る。
【0045】
レーザパターニングユニット３１６は、位相、画像、静的又は動的エネルギパターニング素子を含み得る。例えば、レーザビームは、固定又は可動素子を備えたマスクによってブロックされ得る。画像パターニングの柔軟性と容易性とを高めるために、画素アドレッシング可能なマスキング、画像生成、又は透過が使用され得る。幾つかの実施形態では、レーザパターニングユニットは、アドレッシング可能なライトバルブを単独で、又はパターニングを提供するためのその他のパターニング機構と併せて含む。ライトバルブは、透過型、反射型であり得、又は透過型素子と反射型素子との組み合わせを使用し得る。位相又は画像パターンは、電気的又は光学的アドレッシングを使用して動的に修正され得る。一実施形態では、透過型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、バルブを通過する光の偏光を回転させるように作用し、光学的にアドレッシングされた画素は、投光源によって画定されたパターンを形成する。別の実施形態では、反射型の光学的にアドレッシングされたライトバルブは、読み出しビームの偏光を修正するための書き込みビームを含む。幾つかの実施形態では、非光学的にアドレッシングされたライトバルブが使用され得る。これらは、電気的にアドレッシング可能な画素素子、可動ミラー若しくはマイクロミラーシステム、圧電若しくは微小駆動光学システム、固定若しくは可動マスク、若しくはシールド、又は高強度光パターニングを提供できる任意のその他の従来のシステムを含み得るが、これらに限定されない。
【0046】
廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、パターン化されず画像リレー３２０を通過しないエネルギを分散し、方向転換し、又は利用するために使用される。一実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニット３１８は、レーザ源、ライトバルブ、及びアンプ３１２と、レーザパターニングユニット３１６との両方から熱を除去する受動的又は能動的な冷却素子を含み得る。他の実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、レーザパターンを画定する際に使用されなかった任意のビームエネルギを吸収して熱に変換するための“ビームダンプ”を含み得る。更に他の実施形態では、廃棄されたレーザビームエネルギは、ビーム整形光学系３１４を使用してリサイクルされ得る。代替的又は追加的に、廃棄されたビームエネルギは、加熱又は更なるパターニングのために物品処理ユニット３４０に向けられ得る。幾つかの実施形態では、廃棄されたビームエネルギは、追加のエネルギパターニングシステム又は物品処理ユニットに向けられ得る。
【0047】
一実施形態では、“スイッチヤード”スタイルの光学システムが使用され得る。スイッチヤードシステムは、プリントされるパターンに起因する不要な光の廃棄によって生じるような付加製造システムにおける光の無駄を減らすのに適している。スイッチヤードは、その生成（この場合、空間パターンが構造化又は非構造化されたビームに与えられるときの平面）から、一連のスイッチポイントを通じたその照射までの複合的なパターンの方向転換を伴う。各スイッチポイントは、入射ビームの空間プロファイルを随意に修正し得る。スイッチヤード光学システムは、例えば、マスクが光に適用されるレーザベースの付加製造技術において利用され得るが、これに限定されない。有利には、本開示に従った様々な実施形態では、捨てられたエネルギは、均質化された形態で、又は高い電力効率若しくは高いスループットレート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リサイクルされ得る。更に、捨てられたエネルギは、より困難な材料をプリントするために強度を高めるためにリサイクル及び再利用され得る。
【0048】
画像リレー３２０は、レーザパターニングユニット３１６から直接又はスイッチヤードを通じて（一次元又は二次元の何れかの）パターン化された画像を受け取り得、それを物品処理ユニット３４０にガイドし得る。ビーム整形光学系３１４と同様の方法で、画像リレー３２０は、パターン化された光を結合し、焦点を合わせ、発散させ、反射し、屈折させ、強度を調整し、周波数を調整し、又はその他の方法で整形して向けるための光学系を含み得る。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、回折光学素子、又はソリッドステート光学システムを使用して向けられ得る。複数のレンズアセンブリの内の１つは、倍率比を有する入射光を提供するように構成され得、レンズアセンブリは光学レンズの第１のセットと光学レンズの第２のセットとの両方であり、光学レンズの第２のセットはレンズアセンブリから交換可能である。補償ガントリに搭載されたミラーの１つ以上のセットとビルドプラットフォームガントリに搭載された最終ミラーとの回転は、プリカーサミラーからの入射光を所望の位置に向けるために使用され得る。補償ガントリ及びビルドプラットフォームガントリの並進運動は、物品処理ユニット３４０のプリカーサミラーからの入射光の距離が画像距離と実質的に等しいことを保証することもできる。実際、これにより、システムの高可用性を確保しながら、様々な材料の構築領域の位置に渡って光ビームの照射サイズと強度とが迅速に変更可能になる。
【0049】
物品処理ユニット３４０は、（集合的にビルドチャンバを画定する）壁で囲まれたチャンバ３４８及び床３４４と、材料を分配するための材料ディスペンサ３４２とを含み得る。材料ディスペンサ３４２は、分配し得、除去し得、混合し得、材料の種類若しくは粒子サイズに段階的変化若しくは変更を提供し得、又は材料の層の厚さを調整し得る。材料は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー粉末、固体から液体へそして再び戻る熱的に誘発される相変化を受けることが可能なその他の溶融性の材料、又はそれらの組み合わせを含み得る。材料は、溶融性材料と非溶融性材料との複合材料を更に含み得、非溶融性の材料を残したままにしつつ、又は該材料に蒸発／破壊／燃焼又はその他の破壊的なプロセスを生じさせつつ、溶融性の成分を溶融するために画像リレーシステムによって何れか又は両方の成分が選択的に目標にされ得る。特定の実施形態では、材料のスラリー、スプレー、コーティング、ワイヤ、ストリップ、又はシートが使用され得る。不要な材料は、送風機、真空システム、掃除、振動、振盪、転倒、又は床３４６の反転の使用によって、使い捨て又はリサイクルのために除去され得る。
【0050】
材料処理コンポーネントに加えて、物品処理ユニット３４０は、３Ｄ構造体を保持及び支持するためのコンポーネントと、チャンバを加熱又は冷却するための機構と、補助又はサポート光学系と、材料又は環境条件を監視又は調整するためのセンサ及び制御機構とを含み得る。物品処理ユニットは、望ましくない化学的相互作用を軽減すると共に、（特に反応性金属での）火災又は爆発のリスクを緩和するために、全体的又は部分的に、真空又は不活性ガス雰囲気をサポートし得る。幾つかの実施形態では、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を含む様々な純粋な又は混合のその他の雰囲気が使用され得る。幾つかの実施形態では、冷媒又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）が使用され得る。選択された割合の不活性／非反応性ガスと共に、体積（又は数密度）で少なくとも約１％のＨｅを有する筐体雰囲気組成が使用され得る。
【0051】
幾つかの実施形態では、粉末床を保持するためのビルドプラットフォームを各々有する複数の物品処理ユニット又はビルドチャンバが、１つ以上の入射エネルギを受け取ってビルド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併せて使用され得る。複数のチャンバにより、１つ以上のビルドチャンバ内で１つ以上のプリントジョブの同時のプリントが可能になる。他の実施形態では、取り外し可能なチャンバ側壁により、ビルドチャンバからプリントされた物体を簡単に取り出すことができ、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装置も装備され得る。更に他の実施形態では、ビルドチャンバは、レーザ光学系の近くに位置決め可能な取り外し可能なプリンタカートリッジとして構成され得る。幾つかの実施形態では、取り外し可能なプリンタカートリッジは、粉末を含み得、又は粉末供給源への取り外し可能な接続をサポートし得る。製品の製造後、取り外し可能なプリンタカートリッジは、取り外され得、新しいプリンタカートリッジと交換され得る。
【0052】
別の実施形態では、１つ以上の物品処理ユニット又はビルドチャンバは、固定の高さに維持されるビルドチャンバを有し得る一方、光学系は垂直に移動可能である。レンズアセンブリの最終光学系と粉体床の上面との間の距離は、ビルドプラットフォームを固定の高さに保ちながら、最終光学系を粉末層の厚さに等しい距離だけ上向きに動かすことによって、本質的に一定になるように管理され得る。有利なことに、ビルドプラットフォームを垂直に移動させる場合と比較して、ビルド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、大きくて重い物体をより容易に製造し得る。通常、体積が約０．１～０．２立方メートルを超える（すなわち、１００～２００リットルを超える、又は５００～１，０００ｋｇよりも重い）金属粉末を対象としたビルドチャンバでは、ビルドプラットフォームを固定の高さに保つことで最も利益が得られるであろう。
【0053】
一実施形態では、粉体床の層の一部分は、ビルドプラットフォーム上の粉末床の層の別の部分を含むように粉体床の層の融合部分から１つ以上の一時的な壁を形成するために選択的に溶融又は融合され得る。選択された実施形態では、熱管理を改善可能にするために、１つ以上の第１の壁に流体通路が形成され得る。
【0054】
幾つかの実施形態では、付加製造システムは、ホッパー内で粉末床をビルド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、及び振動可能な粉末床を支持するビルドプラットフォームを備えた物品処理ユニット又はビルドチャンバを含み得る。粉末床を形成する粉体材料は、後のプリントジョブでの再利用のためにホッパー内に収集され得る。粉末収集プロセスは自動化され得、粉末の撤去及び除去を助けるためにバキューミング又はガスジェットシステムも使用され得る。
【0055】
幾つかの実施形態では、付加製造システムは、利用可能なビルドチャンバよりも長い部品を容易に取り扱うように構成され得る。連続した（長い）部品は、第１のゾーンから第２のゾーンまで長手方向に順次前進させられ得る。第１のゾーンでは、粒状材料の選択された顆粒が結合させられ得る。第２のゾーンでは、粒状材料の未結合の顆粒が除去され得る。連続した部品の最初の部分は、第２のゾーンから第３のゾーンに前進させられ得る一方、連続した部品の最後の部分は第１のゾーン内に形成され、最初の部分は、最初の部分が第１のゾーン及び第２のゾーン内に占めた横方向及び横断方向の同じ位置に維持される。実際、付加製造とクリーンアップ（例えば、未使用又は未結合の粒状材料の分離及び／又は再生）とは、部品コンベア上の異なる位置又はゾーンで並行して（すなわち、同時に）実施され得、粒状材料及び／又は部品を除去のために停止する必要がない。
【0056】
別の実施形態では、付加製造能力は、筐体の内部と筐体の外部との間のガス状物質の交換を制限する筐体の使用によって向上させ得る。エアロックは、内部と外部との間のインターフェースを提供し、内部は、粉末床融合をサポートするチャンバを含む複数の付加製造チャンバを有する。ガス管理システムは、内部のガス状酸素を限界酸素濃度以下に維持し、システムで使用され得る粉末の種類と処理との柔軟性を高める。
【0057】
別の製造の実施形態では、筐体内に物品処理ユニット又はビルドチャンバが含まれることによって能力を向上させ得、ビルドチャンバは、２，０００キログラム以上の重量を有する部品を創出できる。ガス管理システムは、筐体内のガス状酸素を大気レベル未満の濃度に維持し得る。幾つかの実施形態では、エアロックは筐体内の気体環境と筐体外の気体環境との間を緩衝するように動作するため、車両は筐体の内側からエアロックを通って、筐体及びエアロックの両方の外側の位置に部品を輸送し得る。
【0058】
他の製造の実施形態は、粉末床からリアルタイムに粉末サンプルを収集することを伴う。インジェスタシステムは、粉末サンプルの工程内収集と特性評価とに使用される。収集は定期的に実施され得、特性評価の結果は、粉末床融合プロセスに対する調整をもたらす。インジェスタシステムは、随意に、監査、プロセス調整、又はプリンタパラメータの修正若しくは認可された粉末材料の適切な使用の確認等のアクションの内の１つ以上に使用され得る。
【0059】
付加製造プロセスに対する更に別の改善は、人間にとって説明する移動が困難又は不可能であろう部品の操作を可能にするクレーン、リフティングガントリ、ロボットアーム、又は同様のもの等のマニピュレータデバイスの使用によって提供され得る。マニピュレータデバイスは、部品の位置変更又は操縦を可能するように、部品上の様々な恒久的又は一時的な付加製造操作点を把持し得る。
【0060】
制御プロセッサ３５０は、レーザ、レーザアンプ、光学系、熱制御装置、ビルドチャンバ、及びマニピュレータデバイスを含む、本明細書に説明する付加製造システム３００の任意のコンポーネントを制御するために接続され得る。制御プロセッサ３５０は、動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱又は冷却システム、モニタ、及びコントローラに接続され得る。イメージャ、光強度モニタ、熱センサ、圧力センサ、又はガスセンサを含む幅広いセンサは、制御又は監視に使用される情報を提供するために使用され得る。制御プロセッサは単一の中央コントローラであり得、或いは、１つ以上の独立した制御システムを含み得る。コントローラプロセッサ３５０には、製造命令の入力を可能にするためのインターフェースが設けられる。幅広いセンサの使用により、品質、製造スループット、エネルギ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。
【0061】
付加製造又は減法製造に適した位相パターン化されたレーザエネルギの使用をサポートする製造システムの動作の一実施形態が図４に説明されている。この実施形態では、フローチャート４００は、説明する光学コンポーネント及び機械コンポーネントによってサポートされる製造プロセスの一実施形態を説明する。ステップ４０２において、材料が床、チャンバ、又はその他の適切な支持体に位置決めされる。材料は、減法製造技術を使用したレーザ切断用の金属プレートであり得、又は所望の特性を有する構造体を形成するために付加製造技術によって溶融され、融合され、焼結され、結晶構造に変化が誘発され、応力パターンが影響を受け、又はその他の方法で化学的又は物理的に修正され得る粉末であり得る。
【0062】
ステップ４０４において、パターン化されていないレーザエネルギが、固体レーザ又は半導体レーザを含むがこれらに限定されない１つ以上のエネルギエミッタによって放射され、スペックル低減システムを通過し、次いで、１つ以上のレーザアンプによって増幅される。ステップ４０６において、パターン化されていないレーザエネルギは整形及び修正される（例えば、強度変調又は集束される）。ステップ４０８において、このパターン化されていないレーザエネルギは、ライトバルブの光学的使用を含み得る、位相パターニングユニットによってパターン化され、位相又は画像パターンの一部を形成しないエネルギはステップ４１０において処理される（これは、パターン化された又はパターン化されていないエネルギとしてリサイクルする廃熱、又はステップ４０４においてレーザアンプを冷却することによって生成された廃熱への変換を提供する、図２及び図３に関して開示したようなビームダンプの使用を含み得る）。ステップ４１２において、一次元又は二次元の画像をここで形成しているパターン化されたエネルギが材料に向けて中継される。ステップ４１４において、画像が材料に印可され、３Ｄ構造体の一部分を減法的に処理し、又は付加的に構築する。付加製造の場合、材料の最上層の全ての必要な領域に画像（又は別の後続の画像）が印可されるまで、これらのステップは繰り返され得る（ループ４１６）。材料の最上層へのエネルギの印可が終了した場合、３Ｄ構造体の構築を続けるために新たな層が印可され得る（ループ４１８）。これらのプロセスのループは、３Ｄ構造体が完成するまで継続され、完成すると、残りの余分な材料は除去又はリサイクルされ得る。
【0063】
図５は、位相及び／又は画像パターニングユニットと、位相又は画像パターン化された二次元エネルギの再利用を可能にするスイッチヤードシステムとを含む付加製造システムの一実施形態である。付加製造システム５２０は、１つ以上の連続的又は断続的なレーザビームをビーム整形光学系５１４に向けるレーザ、スペックル低減システム、及びアンプ源５１２を備えたエネルギパターニングシステムを有する。余分な熱は、廃棄エネルギ処理ユニット５２２に伝達され得る。整形後、ビームはレーザ位相パターニングユニット５３０によって二次元にパターン化され、一般的に、幾らかのエネルギは廃棄エネルギ処理ユニット５２２に向けられる。パターン化されたエネルギは、通常、可動の又は固定の高さの床の近くに焦点を合わせた二次元画像として、複数の画像リレー５３２の内の１つによって１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ、５３４Ｂ、５３４Ｃ、又は５３４Ｄに向けて中継される。床は、粉末ホッパー又は同様の材料ディスペンサを含むカートリッジ内にある。画像リレー５３２によって向けられたパターン化されたレーザビームは、所望の特性を有する構造体を形成するために、吐出された材料を溶融し得、融合し得、焼結し得、結合し得、結晶構造を変化させ得、応力パターンに影響を与え得、又はその他の方法で化学的又は物理的に修正し得る。
【0064】
この実施形態では、廃棄エネルギ処理ユニットは、廃棄されたパターン化されたエネルギの再利用を可能にするための複数のコンポーネントを有する。レーザアンプ及びソース５１２からの冷却流体は、発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、又はエネルギダンプ５２６の内の１つ以上に向けられ得る。また、リレー５２８Ａ、５２８Ｂ、及び５２８Ｃは、発電機５２４、加熱／冷却熱管理システム５２５、又はエネルギダンプ５２６にエネルギを夫々伝達し得る。随意に、リレー５２８Ｃは、更なる処理のために、パターン化されたエネルギを画像リレー５３２に向け得る。他の実施形態では、パターン化されたエネルギは、レーザ及びアンプ源５１２によって提供されるレーザビームへの挿入のために、リレー５２８Ｃによってリレー５２８Ｂ及び５２８Ａに向けられ得る。パターン化された画像の再利用も、画像リレー５３２を使用して可能である。画像は、１つ以上の物品処理ユニット５３４Ａ～Ｄに分配するために、方向転換され得、反転され得、ミラーリングされ得、サブパターン化され得、又はその他の方法で変換され得る。有利なことに、パターン化された光の再利用は、付加製造プロセスのエネルギ効率を向上させ得、幾つかの場合、床に向けられるエネルギ強度を向上させ得、又は製造時間を短縮し得る。
【0065】
前述の説明及び関連する図面に提示された教示の恩恵を受ける当業者であれば、発明の多くの修正物及びその他の実施形態が思い浮かぶであろう。それ故、発明は開示した具体的な実施形態に限定されるものではないこと、並びに修正物及び実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。本発明のその他の実施形態は、本明細書に特に開示されていない要素／ステップがなくても実践され得ることも理解される。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】