(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業面内の対象物を照射するためのレーザ印刷システムであって、
前記対象物は、当該レーザ印刷システムのプリントヘッドに対して移動し、該プリントヘッドはレーザモジュールを含み、各レーザモジュールは、レーザから構成される少なくとも１つのレーザアレイを含み、前記レーザモジュールのうちの少なくとも２つが電源を共有し、
当該レーザ印刷システムは、前記プリントヘッドの最大処理速度において、印刷中にレーザモジュールの所定数のみを公称電力で駆動させることができるように適合された制御装置をさらに含み、前記レーザモジュールの所定数は、前記レーザモジュールの総数よりも少なく、
前記制御装置は、所定の期間内に前記対象物に供給される光エネルギーが、前記レーザモジュールの前記公称電力と前記レーザモジュールの所定数との積を超える入力電力を必要とする場合に、前記プリントヘッドの処理速度を低下させるようにさらに適合され、
前記制御装置は、前記処理速度が前記最大処理速度よりも遅い場合に、前記レーザモジュールに供給される入力電力を、前記レーザモジュールの前記公称電力よりも低くするように適合され、それによりシームレス印刷のために前記レーザモジュールの所定数よりも多くのレーザモジュールを用いてレーザ光を同時に放出できる、
レーザ印刷システム。
【請求項２】
前記制御装置は、シフトされたパルス幅変調で前記レーザモジュールを制御するように適合されており、前記パルス幅変調は、パルス幅変調基準時間、パルス幅、及びパルス位相によって特徴付けられる、請求項１に記載のレーザ印刷システム。
【請求項３】
前記レーザモジュール及び／又は前記電源はバッファキャパシタを含み、該バッファキャパシタは、前記レーザモジュールの所定数より多いレーザモジュールを所定の期間に亘って公称電力で駆動させることができるように、前記レーザモジュールに電力を供給するためのエネルギーを蓄積するように適合される、請求項２に記載のレーザ印刷システム。
【請求項４】
前記レーザモジュールは列で配置され、１つの電源が１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合され、前記制御装置は、前記対象物上で受け取られるレーザパルスの距離が一定に保たれるように前記パルス幅変調基準時間を適合するように構成され、前記制御装置は、前記レーザの前記パルス幅を一定に保つようにさらに構成され、前記制御装置は、前記レーザモジュールに供給される電力の減少が、一定の印刷解像度での前記処理速度の低下となるようにさらに適合される、請求項２に記載のレーザ印刷システム。
【請求項５】
前記レーザモジュールは列で配置され、１つの電源が１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合され、前記制御装置は、前記電源によって供給される駆動電流の開放が平滑化されるように、交互パルス幅変調パルスを一定のパルス幅変調基準時間で前記列の前記レーザに供給するように適合される、請求項２に記載のレーザ印刷システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記パルス幅変調基準時間中の異なる時間に前記レーザを起動させるために規定されたパルス幅でパルスを開始するように適合され、前記パルスを開始させる前記異なる時間は、前記パルス幅変調基準時間に亘って分散される、請求項５に記載のレーザ印刷システム。
【請求項７】
前記パルスを開始させる前記異なる時間のシフトは、系統的な印刷エラーが低減されるようにランダムに分散される、請求項６に記載のレーザ印刷システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記パルス幅変調基準時間中に１つのレーザモジュールのパルスを同時に開始させるように適合されており、前記制御装置は、前記パルス幅変調基準時間中の異なる時間に異なるレーザモジュールのレーザに供給されるパルスを開始させるようにさらに適合され、前記パルスを開始させる前記異なる時間は、前記パルス幅変調基準時間に亘って分散される、請求項５に記載のレーザ印刷システム。
【請求項９】
前記レーザモジュールは列で配置され、１つの電源が、少なくとも２つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合されており、前記少なくとも２つの列は、共通のバッファキャパシタを含み、前記制御装置は、前記電源によって供給される駆動電流が平滑化されるように、交互パルス幅変調パルスを一定のパルス幅変調時間で前記少なくとも２つの列の前記レーザに供給するように適合される、請求項３に記載のレーザ印刷システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記対象物上で受け取られるレーザパルス同士の間の距離が一定に保たれるように前記パルス幅変調基準時間を適合するように構成され、前記制御装置は、前記レーザモジュールに供給される電力の減少の一部が短縮されたパルス幅によって引き起こされるように、前記レーザの前記パルス幅を適合するようにさらに構成される、請求項２に記載のレーザ印刷システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記パルス幅変調基準時間を一定に保つように適合され、前記制御装置は、前記レーザの前記パルス幅を一定に保つようにさらに適合され、前記制御装置は、前記処理速度の低下に応じてパルスをスキップするようにさらに適合される、請求項２に記載のレーザ印刷システム。
【請求項１２】
レーザモジュールのグループの全てのレーザモジュールが前記電源を共有し、前記制御装置は、所定の期間内に前記対象物に供給される前記光エネルギーが、前記レーザモジュールの前記公称電力と前記レーザモジュールの所定数との積を超える入力電力を必要とする場合に、前記レーザモジュールのグループの少なくとも１つのレーザモジュールのスイッチをオフにするように適合され、前記制御装置は、前記プリントヘッドが前記対象物を少なくとも２回横切る間に前記プリントヘッドの全幅を処理できるように、前記少なくとも１つのレーザモジュールのスイッチをオフにするようにさらに適合される、請求項１に記載のレーザ印刷システム。
【請求項１３】
レーザ印刷の方法であって、当該方法は、
プリントヘッドに対して作業面内の対象物を移動させるステップであって、前記プリントヘッドはレーザモジュールを含み、前記レーザモジュールのうちの少なくとも２つが電源を共有する、移動させるステップと、
前記レーザモジュールによってレーザ光を放出するステップであって、前記レーザモジュールは、レーザから構成される少なくとも１つのレーザアレイを含む、放出するステップと、
前記プリントヘッドの最大処理速度で、レーザモジュールの所定数のみを公称電力で駆動させることができるように、前記レーザモジュールを制御するステップであって、前記レーザモジュールの所定数は、前記レーザモジュールの総数よりも少ない、制御するステップと、
所定の期間内に前記対象物に供給される光エネルギーが、前記レーザモジュールの前記公称電力と前記レーザモジュールの所定数との積を超える入力電力を必要とする場合に、前記プリントヘッドの処理速度を低下させるステップと、
前記処理速度が前記最大処理速度よりも遅い場合に、前記レーザモジュールに供給される入力電力を前記レーザモジュールの前記公称電力よりも低くさせ、それによりシームレス印刷のために前記レーザモジュールの所定数よりも多くのレーザモジュールを用いてレーザ光を同時に放出することが可能になるステップと、を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ印刷システム及びレーザ印刷方法に関する。レーザ印刷は、文書の印刷、導電性トラック（プリンテッド・エレクトロニクス：printed  electronics）の熱処理又は印刷だけでなく、例えばレーザによる光造形（rapid  prototyping）（選択的レーザ溶融又は選択的レーザ焼結等）に使用される積層造形法（additive  manufacturing）のための３Ｄ印刷も指す。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ及び選択的レーザ溶融装置等の従来のレーザ印刷システムは、単一の高出力レーザと、レーザを領域に亘って照射して走査するスキャナとから構成される。処理速度を上げるためには、いくつかの独立したチャネル、すなわち領域のかなりの部分をカバーするアドレス制御可能なレーザアレイを含むプリントヘッドを有することが望ましい。好ましくは、プリントヘッドは領域の全幅をカバーし、プリントヘッドを一方向にのみ移動させればよいように、その領域は画素当たり１つのアドレス制御可能なレーザ源を用いて印刷される。供給しなければならない電力に関する要件は、プリントヘッドの幅、画素当たりのレーザ源の数及び出力、及び印刷すべき構造に依存する。極端な場合に、密集状態の面（close  surface）を処理しなければならない場合に、数千アンペアの電流で数キロワットの電力を供給しなければならない。
【０００３】
特許文献１には、複数の光源によって複数の感光素子上に静電潜像を形成するように構成された光書込み装置が開示される。光書込み装置は、画像データを取得する画像データ取得部と；取得した画像データから生成された画素データに基づいて光源の発光制御を行うとともに、光源を制御して感光素子を露光することにより感光素子を除電（neutralization）処理する光源制御部と；を含む。除電処理では、光源制御部は、光源制御部に入力された画素データに基づいて、光源の点灯／消灯制御が実行可能な期間をサブ期間に分割し、複数の光源のうちの少なくとも１つを常に消灯状態にするように、サブ期間のいずれか１つで光源を点灯させる。
【０００４】
特許文献２には、標的対象物にエネルギーを供給して画像を形成するためにレーザ光源を使用するレーザベース印刷装置が開示されており、この装置は、複数のレーザ光源を含むレーザ光源装置と、移送機構と、レーザ光源装置と移送機構との間に接続される制御装置とを有する。
【０００５】
特許文献３には、作業面においてレーザ印刷システムのレーザモジュールに対して移動する対象物を照射するレーザ印刷システムが開示される。このレーザモジュールは、半導体レーザから構成される少なくとも２つのレーザアレイと、少なくとも１つの光学素子とを有する。この光学素子は、レーザアレイによって放出されたレーザ光を結像するように適合され、それによって半導体レーザの１つのレーザアレイのレーザ光がレーザ印刷システムの作業面内の１つの画素に結像され、画素の領域要素が少なくとも２つの半導体レーザによって照射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１３９６０７号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１１／１１４２９６号パンフレット
【特許文献３】国際公開第２０１５／０９１４５９号パンフレット
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、改良されたレーザ印刷システム及び対応するレーザ印刷方法を提供することである。
【０００８】
第１の態様によれば、作業面内の対象物を照射するためのレーザ印刷システムが提供される。対象物は、レーザ印刷システムのプリントヘッドに対して移動する。通常、プリントヘッドは、１つの所定の軸線に沿って対象物を横切って直線的に移動する。プリントヘッドは、レーザモジュールの総数を含む。各レーザモジュールは、レーザから構成される少なくとも１つのレーザアレイを含み、レーザモジュールのうちの少なくとも２つが電源を共有する。レーザは、例えば、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）のような半導体レーザ等の高度に集積化されたレーザであることが好ましい。あるいはまた、光ポンピングレーザ又はサイドエミッタを使用してもよい。レーザ印刷システムは、プリントヘッドの最大処理速度において、レーザモジュールの所定数のみを公称電力で駆動させることができるように適合された制御装置を含み、レーザモジュールの所定数はレーザモジュールの総数よりも少ない。
【０００９】
例えば、３Ｄプリンタ等のレーザ印刷システムの作業面の一部である作業領域の典型的なサイズは、５００ｍｍ幅である。３次元対象物を許容できる品質で印刷するために必要な解像度は、約０．１ｍｍ画素サイズである。これは、プリントヘッドが約５，０００個の個別の垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）ダイオードを含み得ることを意味する。十分に速い製造速度の目標を達成するために、プリントヘッドは、少なくとも３００ｍｍ／ｓの速度で移動することが好ましい。材料を溶融させるのに十分なエネルギーを有するために、例えば、各画素又はＶＣＳＥＬダイオードについて１．５Ｗの光出力パワーが必要である。この光出力を得るための入力電力は、ＶＣＳＥＬ効率（２０〜５０％）、光効率（９５％）、及び電源効率（５０〜９０％）を考慮して計算される。画素密度、高速制御、及びライン全体の小さい体積の追加要件により、２４Ｖｄｃレールからレーザ出力までの全効率は約１４％に過ぎない。合計５，０００画素を用いる場合に、これは、機械に入力される電力が５３．６ｋＷであることを意味する。２４Ｖｄｃのレールを使用すると、フルパワーでの総電流は２，２３０Ａである。
【００１０】
典型的な印刷形状を想定すると、この総電力は、ほとんどの場合、最大で１０〜２０％しか使用されないので、通常の電力需要は約１０ｋＷ／４５０Ａに減少する。それでもなお、全ての画素を同時に使用しなければならない（例えば、対象物に完全な一様な層（solid  layer）を印刷するとき）いくつかの形状及び状況が存在する。時間が限られるため、従って最大５３．６ｋＷを供給することが必要となる。最高速度での印刷を可能にするためには、このピーク要件に電気装置を適合させなければならない。従って、制限時間が所定の閾値を超えた場合に、最大処理速度で全ての半導体レーザ又はレーザアレイを公称電力で駆動させるのに必要な電力の５０％未満、好ましくは３０％未満、及び最も好ましくは２０％未満に、半導体レーザ又はレーザアレイに供給される電力を制限することが提案されている。公称電力は、例えば、レーザ又はレーザアレイの劣化を加速させることなく半導体レーザに供給することができる入力電力、又は半導体レーザが最も効率的となる入力電力、又は規定された数の画素についての電子ドライバが連続的に供給できる最大電力、又は処理最高速度に必要な電力である。公称電力は、例えば、レーザ又はレーザアレイの製造業者によって特定してもよい。上記の例を考えると、電源又は複数の電源によって供給することができる入力電力は、３００ｍｍ／ｓの最大処理速度でのレーザ焼結を可能にするために、２０％の場合に、１，０００個のＶＣＳＥＬだけが１．５Ｗの光出力を放出できるように制限される。１．５Ｗの光出力は一例に過ぎず、溶融又は焼結される材料及び３００ｍｍ／ｓの所与の例より遅い又はより速い最大処理速度に依存し得る。１つのレーザは、対応する光学装置（レンズ等）によって作業面内の１つの画素に結像され得る。各レーザは、他のレーザから独立して制御することができる。
【００１１】
あるいはまた、作業面に放出され、作業面で受け取られる光エネルギーを平滑化するために、レーザのグループ（例えば、レーザアレイ）を１つの画素に結像させることも可能である。いくつかのレーザを組み合わせて１つの画素に放出させることにより、例えば１つのレーザの不具合によって引き起こされる印刷エラーを回避することができる（光エネルギーは、対象物の表面上の１つの画素に放出されるレーザの総数と不具合のあるＶＣＳＥＬの数との比に依存して減少する。）レーザ印刷システムは、この場合に、レーザアレイによって放出されるレーザ光を結像するように適合され、それによって半導体レーザから構成される少なくとも１つのレーザアレイのレーザ光が、レーザ印刷システムの作業面内の１つの画素に放出される。レーザアレイとは、一次元又は二次元の配列で配置された任意のレーザのグループ、特に半導体レーザのグループを意味する。
【００１２】
各レーザモジュールは、１つ、２つ、３つ、又はそれ以上のレーザアレイを含むことができる。レーザモジュールのうちの少なくとも２つが１つの電源を共有する。１つ、２つ、３つ、又はそれ以上のレーザモジュールのグループが存在してもよく、レーザモジュールの各グループが１つの電源を共有する。極端な場合に、レーザ印刷システムの全てのレーザモジュールが、１つの共通の電源を有する。制御装置はサブ制御装置を有してもよく、第１のサブ制御装置が、プリントヘッドの速度又は速さを制御するように適合され、第２のサブ制御装置が、レーザモジュール、レーザアレイ、又は個々のレーザに供給される電力を制御するように適合され得る。電力の制御には、レーザアレイ又はレーザへの電力分配の制御が含まれる。１つの電源を共有するレーザモジュールの異なるグループへの電力供給を制御する制御装置又はサブ制御装置が存在してもよい。代替的に又は追加的に、レーザモジュールの全てのグループへの電力供給を制御するマスタ制御装置が存在してもよい。マスタ制御装置は、各単一のレーザによって放出される光出力を制御することができる。あるいはまた、マスタ制御装置は、所与の処理速度で十分な光出力を放出するために必要な電力のみを監視し、光出力が実際の処理速度でレーザモジュールに供給される最大出力を超える場合に、処理速度を適合させることができる。適合された処理速度に関連する情報は、印刷エラーが回避されるようにそれぞれのレーザのレーザモジュールに電力を分配するように適合されたサブ制御装置に提示してもよい。印刷エラーは、例えば、作業面における印刷パターンの不規則性（不揃い）である。
【００１３】
レーザ印刷システムの制御装置は、所定の期間内に対象物に供給される光エネルギーが、レーザモジュールの公称電力と所定数のレーザモジュールとの積を超える入力電力を必要とする場合に、プリントヘッドの処理速度を低下させるように適合させる。この場合に、処理速度又は低下した処理速度は、最大処理速度よりも遅くなり得る。制御装置は、処理速度が最大処理速度よりも遅い場合に、レーザモジュールに供給される入力電力をレーザモジュールの公称電力よりも低く低減するように適合される。処理速度の低下によって、所定数のレーザモジュールより多いレーザモジュールによってレーザ光を同時に放出することが可能になり、それによってシームレスな印刷が可能になる。起動したレーザモジュール又はレーザの各々は、レーザモジュールに供給される入力電力が、レーザモジュールの公称電力と所定数のレーザモジュールとの積によって規定される電力閾値を超えることを回避するために、公称電力よりも少ない電力で供給される。処理速度の低下と入力電力の減少との関係は線形となり得る。作業面内で焼結される材料の材料特性（熱伝導率、粒度、粒子形状等）によって引き起こされる非線形効果は、それに応じて適合される補正によって考慮することができる。
【００１４】
制御装置は、好ましくは、シフトされた（shifted）パルス幅変調を用いてレーザモジュールを制御するように適合してもよく、ここでパルス幅変調（PWM）はパルス幅変調基準時間、パルス幅、及びパルス位相によって特徴付けられる。シフトされたパルス幅変調は、ＰＷＭ周波数、ＰＷＭ時間、及びＰＷＭ位相を適合させることができるパルス幅変調として規定される。好ましくは、ＰＷＭ周波数（ＰＷＭ基準時間）は一定に保たれ、レーザ又はレーザアレイのパルス幅及びパルス位相は、印刷エラー（例えば、可視性シームライン（seam  lines））を回避するように適合される。パルス幅及び振幅を使用して、レーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールに供給される電気エネルギーをさらに制御してもよい。ＰＷＭ周波数は、好ましくは、最高速度（例えば、３００ｍｍ／ｓ）で走査するときのサブ画素解像度を可能にするように選択される。これは、作業面内の１つの画素に結像されるレーザ又はレーザアレイによって放出されるレーザ光が、レーザ又はレーザアレイがＰＷＭ周波数の２つの後続の周期で起動する場合に、画素の全サイズの一部のみを移動させることを意味する。従って、作業面内に単一の画素のサイズを有する面積要素は、作業面を横切って移動する間に、ＰＷＭサイクルの後続の周期に同じレーザ又はレーザモジュールからレーザ光を受け取る。シフトされたＰＷＭによって、１つのレーザモジュールのレーザ又はレーザアレイを独立して駆動させることが可能になる。これは、例えば、隣接するレーザ、レーザアレイ、又は全てのレーザモジュールがＰＷＭサイクルの異なる周期で起動されることを意味する。パルス幅及び振幅は、レーザモジュールの各レーザ又はレーザアレイが同じ光出力を作業面に放出するように適合してもよい。あるいはまた、パルス幅及び振幅を使用して、レーザモジュールの各レーザ又はレーザアレイによって放出される光出力を適合してもよい。パルス位相及びパルス幅の分布は、１つのレーザモジュールに供給される電流が本質的に一定となるように適合される。より長いＰＷＭ基準時間に亘るレーザパルスの開始時間のこの分布によって、電流ピークを回避することができる。サブ画素の分解能が可能なようにＰＷＭ周波数が選択されると、パルスシフトによって引き起こされ得る印刷エラーは制限される。レーザ、レーザアレイ、レーザモジュール、又はレーザモジュールのグループに適用されるパルスシフトに応じて、ＰＷＭ周波数を増大させることさえ可能である。いずれにしても、ＰＷＭ周波数の適合は、より短い又はより長いＰＷＭ基準時間内のパルスの分布に影響を及ぼし得る。パルス幅又は長さ及び／又は振幅は、印刷速度の低下に従ってレーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールに供給される電力を低減するために使用してもよい。１つのレーザモジュールのレーザによって放出されたパルスのパルスシフトの分布は、シームラインの可視性を回避又は少なくとも低減するためにランダム化してもよい。作業面内の画素の系統的な（systematic）シフトが回避される。
【００１５】
レーザモジュール及び／又は電源は、バッファキャパシタを有することができる。バッファキャパシタは、レーザモジュールの所定数より多くのレーザモジュールが所定の期間に亘って公称電力で駆動されるように、レーザモジュールに電力を供給するためのエネルギーを蓄積するように適合される。バッファキャパシタは、レーザモジュールの一部に供給される閾値電流以下の駆動電流を平滑化するようにさらに適合することができる。ピーク電流を回避することによって、駆動電流を平滑化することができる。バッファキャパシタは、電流の望ましくない変動を回避するために、電源（複数可）がバッファキャパシタによってサポートされるように、エネルギー蓄積部として使用されることが好ましい。バッファキャパシタは、例えば、レーザモジュールに供給される電流が、意図された又は必要とされる電流で所定期間安定化するように構成することができる。適切なバッファ及びフィルタ・ステージを電力分布に配置することにより、電流ピークを回避し、（所与の構造を処理するためにレーザモジュールの所定数より多くのレーザモジュールを起動させなければならない）短期間に亘って高速又はさらには最大処理速度を可能にすることができる。バッファ・ステージ又はフィルタ・ステージは、通常、電流ノードに配置されるのが好ましいキャパシタを含む。
【００１６】
フィルタ処理又はバッファ処理の異なるステップが存在してもよく、
ａ．ＰＷＭ基準周波数での変調を平滑化する中間周波数フィルタ処理：
ｉ．このフィルタ処理は、ＰＷＭによる電力変調がシステムの基本要件であるため、通常の動作にも必要とされる。
ｉｉ．シフトされたＰＷＭパルスが実施される場合に、フィルタへの総電流が減少する。
ｂ．中間／低周波フィルタ：
ｉ．より低い印刷速度で減少するＰＷＭ周波数を使用するには、フィルタをより低い周波数で有効にする必要がある。
ｃ．超低周波フィルタ／バッファ：
ｉ．設計された総出力より多くの出力を必要とするパターンが印刷されるときはいつでも、サイクル全体の速度を低下させる必要がある。
ｉｉ．これらの減速サイクルの数を最小限に減らすために、通常の印刷状況の約９９％を支配するバッファを追加しなければならない。
【００１７】
バッファキャパシタに電力を供給することによる非常に低い周波数のフィルタ／バッファの推定は、以下の例により与えられる。例えば、９９％の層では、全ての画素が同時に起動しなければならない連続した最大３ミリメートルを印刷しなければならないと推測することができる。３００ｍｍ／ｓで３ｍｍ印刷することは、バッファキャパシタによってブリッジする必要がある１０ｍｓが存在することを意味する。例えば、２４Ｖのバスで５ＶのΔＵが許容される。さらに、モジュール当たり１４Ａの電流が必要である。この結果、１０ｍｓの短期間にこの電力を供給するために必要なのは、１モジュール当たり２８．０００μＦの追加容量となる。２７．０００μＦ／３５Ｖの商業的に入手可能なキャパシタは、約３５ｍｍの直径及び約５０ｍｍの高さを有する。代替の設計オプションは、容量要件を低減するために使用できる高いΔＵを可能にすることである。バッファの少なくとも一部は、外部への配線に応じて外部電源に実装してもよい。従って、制御装置は、全てのレーザモジュールを限定された時間だけ公称電力で駆動させるように構成される。この場合に、電力は、上述したようにバッファキャパシタによって供給してもよい。限定された時間が上記のようにバッファキャパシタの必要な電流、電圧変化及び容量によって与えられる閾値を超えると直ぐに、レーザ、レーザアレイ、又は全てのレーザモジュールがスイッチオフされるか、或いは生成速度が低下される。
【００１８】
レーザ印刷システムのレーザモジュールは、列で、好ましくは斜めの列で配置してもよい。１つの電源は、１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合される。制御装置は、対象物上で受け取られるレーザパルスの距離が一定に保たれるように、パルス幅変調基準時間を適合するように構成される。制御装置は、レーザのパルス幅を一定に保つようにさらに適合される。パルス幅は、印刷プロセスの材料及び他の境界条件に依存し得る。制御装置は、レーザモジュールに供給される電力の減少が一定の印刷解像度での処理速度の低減に適合されるように、電力供給を制御するようにさらに適合される。印刷解像度は、対象物の表面上で受け取られたレーザパルス同士の間の距離によって与えられ、一定のままである。レーザモジュールに供給される電力の減少は、処理速度の低下に比例し得る（又は処理速度の低下は、レーザモジュールに供給される電力の減少に比例し得る）。これは、最高速度の５０％において、公称電力の最大５０％のみがレーザ又はレーザアレイに供給されることを意味する。レーザモジュール及び／又は電源は、上述したようにレーザモジュールに供給される電流を平滑化又は安定化させるために、バッファキャパシタをさらに有してもよい。
【００１９】
更なる実施形態によれば、１つの電源は、レーザモジュールが列で配置される場合に、１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合することができる。制御装置は、電源によって供給される駆動電流が平滑化されるように、交互（interleaving）パルス幅変調パルスを一定のパルス幅変調基準時間で斜めの列のレーザ又はレーザアレイに供給するように適合させてもよい。制御装置は、好ましくは、パルス幅変調基準時間中の異なる時間にレーザを起動させるために規定されたパルス幅のパルスを開始するように適合され、パルスを開始させる異なる時間は、パルス幅変調基準時間に亘って分散される。従って、１つの電源によって供給されるレーザモジュールの列のレーザ又はレーザアレイは、ＰＷＭサイクルの異なる時間周期で起動される。パルス幅及び振幅は、好ましくは、レーザモジュールの各レーザ又はレーザアレイが同じ光出力を作業面に放出するように適合される。パルス位相及びパルス幅の分布は、１つのレーザモジュールに供給される電流が本質的に一定となるように適合される。レーザパルスの開始時間をより長いＰＷＭ基準時間に亘って分布させることによって、電流ピークを回避することができる。サブ画素の分解能が可能なようにＰＷＭ周波数が選択されると、パルスシフトによって引き起こされ得る印刷エラーは制限される。パルスを開始させる異なる時間のシフトは、レーザ又はレーザアレイに亘ってランダムに分散され、それにより系統的な印刷エラーが減少する。
【００２０】
制御装置は、レーザモジュールが列で配置され、且つ１つの電源が１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合される場合に、パルス幅変調基準時間中に同時に１つのレーザモジュールのパルスを開始するようにさらに適合してもよい。制御装置は、パルス幅変調基準時間中の異なる時間に異なるレーザモジュールのレーザに供給されるパルスを開始させるようにさらに適合してもよく、パルスを開始させる異なる時間は、パルス幅変調基準時間に亘って分散される。１つの行の総電流は、行内のレーザモジュールの異なる開始時間によって制限され、平滑化される。上述したように電流を平滑化するために、バッファ又はフィルタキャパシタを使用してもよい。異なるレーザモジュールのパルスを開始させる異なる時間のシフトは、例えばシームライン又はステップ等の系統的な印刷エラーが回避又は少なくとも低減されるように、ランダムに分散させてもよい。
【００２１】
レーザモジュールは、列で、好ましくは斜めの列で配置され、１つの電源が１つの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合され、制御装置は、列内の隣接するレーザモジュールのパルス幅及び隣接するレーザモジュールのパルス位相が対象物上の隣接する画素同士の間の間隔（step）が減少するように適合される。異なるレーザモジュールによって放出されるレーザパルスのパルス長さは減少され、パルスの位相は、異なるレーザモジュールの画素同士の間の間隔が回避又は低減されるように適合される。パルス長さの短縮は、斜めの列内のレーザモジュールの数及び公称電力で同時に作動されるこの列のレーザモジュールの数、レーザ印刷システムが最高速度で動作する場合（例えば、レーザモジュールの所定数よりも少ないレーザモジュールが一瞬に一度に駆動される場合）に適用されるＰＷＭ基準時間及びパルス長さに依存する。レーザモジュールに供給される電力を低減するために、パルス長さ又は幅の短縮を使用することができる。隣接するレーザモジュールのパルスの位相は、隣接する第２のレーザモジュールのパルスが開始するときに、第１のレーザモジュールのパルスが終了するように適合してもよい。代替的に又は追加的に、オーバーラップ又はギャップが存在する可能性がある。独立した電源によって電力が供給される隣接する斜めの列のレーザモジュールの制御は、印刷エラーを最小化するために、斜めの列のレーザモジュールの制御にさらに適合させることができる。例えば、隣接する斜めの列の隣接するレーザモジュールの開始時間は、系統的な印刷エラーを回避するために、異なってもよい。例えば、第１のグループのレーザモジュールは、行に、特に斜めの行に配置してもよい。各レーザモジュールは、いくつかの半導体レーザ又は半導体レーザのアレイを有することができる。各レーザモジュール内のパルスは、互いにシフトさせなくてもよい。これにより、単一のレーザモジュールの制御を簡素化することができる。必要とされる入力電力の低減を可能にするために、第１のグループのレーザモジュールのうちの異なるレーザモジュールのパルスを代わりにシフトさせてもよい。小さな三角形の印刷エラーを可能にするためのパルスシフトの最適な分布は、第１のグループのレーザモジュールのうちの１つの第１のレーザモジュールからレーザモジュールのグループの次のレーザモジュールへのパルスを開始させるシフトが、パルス幅変調の基準時間をレーザモジュールのグループ内のレーザモジュールの数で割った値としてもよい。第１のグループのレーザモジュールに隣接する次のレーザモジュールのグループ内のレーザモジュール同士の間のシフトは、逆の順序で同じ方法で配置してもよい。これは、例えば、レーザモジュールのグループが列又は行で配列される場合に、レーザモジュールの異なるグループのレーザモジュールがライン（線）で配置されることを意味する。第１のグループのレーザモジュールの第１のレーザモジュールが、第１のラインに配置される。第１のグループのレーザモジュールの最後のレーザモジュールが、ｎ番目のラインに配置される。第１のグループのレーザモジュールの第１のレーザモジュールのパルスのシフトはゼロであり、第１のグ��ープのレーザモジュールのｎ番目のレーザモジュールのパルスのシフトは、第１のグループのレーザモジュール内の隣接するレーザモジュール同士の間のシフト（パルス幅変調基準時間をｎで割った値）の（ｎ−１）倍である。第１のラインにも配置される、第１のグループのレーザモジュールの次の第２のグループのレーザモジュール（第２の行）の第１のレーザモジュールのパルスは、第１のグループのレーザモジュール及び第２のグループのレーザモジュール内の隣接するレーザモジュール同士の間のシフトの（ｎ−１）倍ずらされる。第２のグループのレーザモジュールのｎ番目のレーザモジュールの（ｎ番目のラインにおける）パルスのシフトはゼロである。第３のグループのレーザモジュールにおけるパルスシフトのスキームは、第１のグループのレーザモジュールにおけるスキームと同じであり、第４のグループのレーザモジュールにおけるそのスキームは、第２のグループのレーザモジュールにおけるスキームと同様である。この手順は、駆動電流を時間の経過とともに平滑化する間に、作業領域で受け取られたエネルギーが時間に関して最適化されるだけでなく、特にエネルギーを受け取る材料に関して最適化されるように、作業領域にマッピングされたレーザモジュール同士の間の幾何学的距離を考慮することによってさらに最適化することができる。
【００２２】
レーザ印刷システムは、上述したように斜めの列で配置されたレーザモジュールを含むことができる。この代替実施形態では、１つの電源が、少なくとも２つの斜めの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合してもよい。少なくとも２つの斜めの列は共通のバッファキャパシタを含む。制御装置は、電源によって供給される駆動電流が平滑化されるように、交互パルス幅変調パルスを一定のパルス幅変調基準時間で少なくとも２つの斜めの列のレーザに供給するように適合される。１つの電源は、プリントヘッド上に配置された２個、３個、４個、又は全ての斜めの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合してもよい。パルスシフトは、共通の電源によって供給される斜めの列に亘って規則的に増大させることができる。これは、全ての斜めの列が１つの共通の電源によって供給される場合に、特に有用である。異なるレーザモジュールに供給されるＰＷＭ変調の１つの周期内のパルスのパルス長さ及び開始時間は、好ましくは、系統的な印刷エラーを回避又は低減するために、ＰＷＭ変調の周期内でランダム化される。
【００２３】
制御装置は、対象物上で受け取られるレーザパルスの位相シフトが低減されるように、レーザモジュールを制御するように適合してもよい。対象物上で受け取られる隣接するパルス同士の間の位相シフトは、好ましくは最小化される。これは、パルス長さ及び開始時間が、好ましくは、対象物上で受け取られる第１のパルスと対象物上で受け取られる隣接する第２のパルスとの間の距離が僅かとなるように適合されることを意味する。この場合に、レーザモジュールの制御を簡単化するために、位相シフトの規則的なパターン及び適合されたパルス長さを提供することが好ましい場合がある。規則的なパターンは、好ましくは、いくつかの隣接するレーザモジュールに亘るパルスの単調なシフトが回避されるように選択される。この場合に、シフトはより大きくなるが、不規則性による視認性が低下され得る。そのような単調なシフトの一例は、第１のレーザモジュールが時間ｔ１で開始し、隣接する第２のレーザモジュールがｔ２で開始し、隣接する第３のレーザモジュールがｔ３で開始すること等であり、ここで、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜・・・である。例えば単調でないｔ１＜ｔ３＜ｔ２＜・・・のようなパルスパターンが好ましい場合がある。
【００２４】
レーザ印刷システムの更なる実施形態は、適応ＰＷＭ変調基準時間と適応ＰＷＭパルス長さとの組合せが可能になるように構成することができる。制御装置は、対象物上で受け取られるレーザパルス同士の間の距離が本質的に一定を保つように、パルス幅変調基準時間を適合するように構成される。制御装置は、レーザモジュールに供給される電力の減少の一部が短縮されたパルス幅によって生じるように、レーザのパルス幅を適合するようにさらに構成される。パルス幅又は長さは、印刷速度の低下に応じてレーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールに供給される電力を低減するために使用してもよい。パルスを短くすることによって、電力削減の一部のみが行われる。パルス時間分解能が制限され、従って、非常に低い所要電力レベルでレベル同士の間の相対的なステップが大きくなり過ぎると、特に一定のパルス幅変調基準時間でより短いパルスによって全ての低減を行うことは不可能である。従って、パルスの振幅によって電力をさらに適合することが必要である。有効なサブ画素寸法を減少させるために、パルス長さを最小にすることが好ましい。残りの電力変化は、パルス幅変調基準時間又はパルスの振幅によって補償することができる。これは、ＰＷＭによってレーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールを切り替えることによって引き起こされ得る印刷エラーを回避又は少なくとも回避するのに役立つ。
【００２５】
上述したように、レーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールの間のパルス位相をシフトさせることは、電流ピークを回避するために使用され得る。電気エネルギーを蓄積し、電流を平滑化するために、上述したようなバッファキャパシタをさらに使用することができる。レーザモジュールは、好ましくは斜めの列で配置され、１つの電源は、少なくとも１つの斜めの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合される。１つの電源は、プリントヘッド上に配置された２個、３個、４個又はそれ以上の列に電力を供給するように構成することもできる。あるいはまた、レーザモジュールのグループが１つの共通の電源によって供給されるレーザモジュールの他の規則的な配置も可能である。
【００２６】
更なる実施形態では、制御装置は、レーザのパルス幅変調及びパルス幅を一定に保つように適合させることができる。制御装置は、処理速度の低下に応じてパルスをスキップするようにさらに適合される。パルスをスキップすること、及びＰＷＭサイクル内でレーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュール全体のスイッチを切り替えることを使用して、処理速度が低下した場合に、レーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールに供給される電力を適合させることができる。レーザパルスをスキップすると、作業面の同じ場所でエネルギーが受け取られるが、後の時点でエネルギーが受け取られる。作業面での光出力の受け取りの動的変化は、熱エネルギーの分布に影響する。従って、レーザ、レーザアレイ、又はレーザモジュールのスイッチをオフにするパターンは、焼結しなければならない材料に適合させることができる。パターンは、粒度、粒度分布、粒子形状、熱伝導率等に依存し得る。プリントヘッド上に配置されるレーザモジュールは、好ましくは斜めの列で配置され、１つの電源は、少なくとも１つの斜めの列の全てのレーザモジュールに電力を供給するように適合される。１つの電源は、プリントヘッド上に配置された２個、３個、４個又はそれ以上の列に電力を供給するように構成することもできる。あるいはまた、レーザモジュールのグループが１つの共通の電源によって供給されるレーザモジュールの他の規則的な配置も可能である。
【００２７】
代替実施形態では、レーザ印刷システムは、レーザモジュールのグループの全てのレーザモジュールが電源を共有するように構成してもよい。制御装置は、所定期間内に対象物に供給すべき光エネルギーが、レーザモジュールの公称電力とレーザモジュールの所定数との積を超える入力電力を必要とする場合に、レーザモジュールのグループの少なくとも１つのレーザモジュールのスイッチをオフにするように適合される。制御装置は、プリントヘッドの全幅が、プリントヘッドが対象物を横切る少なくとも２パス内で処理されるように、少なくとも１つのレーザモジュールのスイッチをオフにするようにさらに適合される。印刷の幅が事実上減少し、１層当たり２回、３回、４回等の焼結パスが追加される。システムは、例えば、１００％の層における印刷領域の幅を２５％に減少させ、電力需要を２５％に維持し、次にその層の２／４を復路で印刷し、３／４を次の往路で印刷し、最後の１／４（４／４）を復路で印刷する。第１の印刷ステップでスイッチがオフにされるレーザモジュールの少なくとも一部は、第２の印刷ステップでスイッチがオンされる。レーザモジュールのスイッチをオフにする効果は、プリントヘッドを最大処理速度で移動させることができるが、作業面の表面の一部だけが作業面を横切る１回のラン（run）で処理されることである。第１のランで処理された作業面内の構造のエッジ部における冷却の効果は、視認性シームラインを回避又は少なくとも低減するように、エッジ部に供給される光出力を適合することによって補償され得る。印刷される領域の幅は、例えば、第１のランにおいて５０％の代わりに５１％に低減され、第２のランで処理すべき領域のエッジ部に供給される光エネルギーが、ここでも５０％の代わりに５１％をカバーするこの第２のランで供給されるエネルギーに適合される。第２のランにおいてエッジ部に供給される光エネルギーのプロファイルは、第１のランと第２のランとの間の時間によって引き起こされるエネルギー損失を補償する。１つの電源によって供給されるレーザモジュールのグループが、プリントヘッド上に配置された全てのレーザモジュールを含むことが有利となり得る。
【００２８】
本発明の更なる態様によれば、レーザ印刷の方法が提供される。この方法は、
プリントヘッドに対して作業面内の対象物を移動させるステップであって、プリントヘッドはレーザモジュールの総数を含み、レーザモジュールのうちの少なくとも２つが電源を共有する、移動させるステップと、
レーザモジュールによってレーザ光を放出するステップであって、レーザモジュールは、レーザから構成される少なくとも１つのレーザアレイを含む、放出するステップと、
プリントヘッドの最大処理速度で、レーザモジュールの所定数のみが公称電力で駆動されるように、レーザモジュールを制御するステップであって、レーザモジュールの所定数はレーザモジュールの総数よりも少ない、制御するステップと、を含む。
【００２９】
方法のステップは、必ずしも上記の順序で実行する必要はない。プリントヘッドの移動、レーザ光の放出、及びレーザモジュールの制御は、例えば本質的に同時に実行してもよい。
【００３０】
プリントヘッドの最大処理速度で、レーザモジュールの所定数のみが公称電力で駆動されるようにレーザモジュールを制御するステップであって、レーザモジュールの所定数はレーザモジュールの総数よりも少ない、制御するステップは、全てのレーザモジュールを限定された期間に亘って公称電力で駆動させることができることを除外しない。この場合に、電力は、例えば上述したようなバッファキャパシタによって供給することができる。限定された期間が、上述したようなバッファキャパシタの必要な電流、電圧変化、及びキャパシタンスによって与えられる閾値を超えると直ぐに、レーザ、レーザアレイ、又は全てのレーザモジュールのスイッチがオフにされるか、又は生成速度が低下される。処理速度又は生成速度が低下する時間は、印刷される対象物の形状によって決定される。速度の適合は、層毎に、又は各層内で動的に行うことができる。速度を層内で一定に保つことにより、プリントヘッド又はレーザモジュールの減速又は加速を考慮する必要がないので、製造プロセスを単純化することができる。低速で印刷される層の数を最小化するために、バッファキャパシタを使用してもよい。他方の動的適合は、より速い印刷処理を可能にすることができる。
【００３１】
請求項１に記載のレーザ印刷システム及び請求項１５に記載の方法は、特に、従属請求項に規定されるように、同様の及び／又は同一の実施形態を有することを理解されたい。
本発明の好ましい実施形態は、それぞれの独立請求項と従属請求項との任意の組合せであってもよいことを理解されたい。
更なる有利な実施形態が以下に規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態によるレーザ印刷システムの断面の主要な略図を示す。
【図２】第２の実施形態によるレーザ印刷システムの上面図の主要な略図を示す。
【図３】第３の実施形態によるレーザ印刷システムの上面図の主要な略図を示す。
【図４】第１の実施形態によるプリントヘッドの主要な略図を示す。
【図５】第２の実施形態によるプリントヘッドの主要な略図を示す。
【図６】第３の実施形態によるプリントヘッドの主要な略図を示す。
【図７】第４の実施形態によるプリントヘッドの主要な略図を示す。
【図８】第１の実施形態によるレーザモジュールの主要な略図を示す。
【図９】第１の実施形態によるレーザモジュールのグループの主要な略図を示す。
【図１０】第２の実施形態によるレーザモジュールのグループの主要な略図を示す。
【図１１】第１のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。
【図１２】第２のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。
【図１３】第３のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。
【図１４】第４のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。
【図１５】レーザ印刷方法の方法ステップの主要な略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して説明され、明らかになるであろう。
本発明を、添付図面を参照して実施形態に基づいて例を挙げて説明する。
図面において、同様の参照符号は全体を通して同様の対象物を指す。図中の対象物は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。
【００３４】
ここで、本発明の様々な実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、第１の実施形態によるレーザ印刷システムの断面の主要な略図を示す。レーザ印刷システム１００は、構築材料を担持するための対象物キャリア３０と、その上に構築される三次元対象物７０とを含む処理チャンバを有する。対象物キャリア３０上には、構築プロセスが終了した後に、対象物７０を取り外すための取外し可能なベースとして機能する構築プラットフォームを設けてもよい。垂直な壁等のフレーム４０を対象物キャリア３０の周りに配置して、構築材料の層を対象物キャリア３０上に閉じ込めることができる。フレーム４０は、取り外し可能であってもよく、対象物キャリア３０に取り外し可能に取り付けられた垂直方向に移動可能なベースを含む。プリントヘッド５０が作業面８０の上方に配置される。プリントヘッド５０は、図２及び図３の両矢印で示される方向に作業面８０を横切って移動可能である。プリントヘッド５０は、反対方向に後退するように構成することができる。プリントヘッド５０は、プリントヘッド５０が図２及び図３に示される両方向に移動する場合に、作業面を照射できるように適合されたレーザモジュール１５０（図示せず）を含む。対象物キャリア３０は、プリントヘッド５０に対して垂直方向に、すなわちプリントヘッド５０の移動方向に対して垂直な方向に上下に移動可能である。対象物キャリア３０の移動は、構築材料の最上層が作業面８０を形成するように制御装置１０によって制御される。レーザ印刷システムは、レーザ印刷システムの様々な機能を制御する制御装置１０をさらに有する。制御装置は、プリントヘッド５０の全てのレーザモジュール１５０に電力を供給するように構成された電源２０を有する。構築材料の層を対象物キャリア３０の構築プラットフォーム上に適用するために、重塗り装置（図示せず）を設けてもよい。さらに、必要であれば適用された構築材料の層を処理温度に加熱する及び／又はフレーム４０内の構築材料の温度を制御するために使用され得る、１つ又は複数の別個の加熱装置（複数可）（図示せず）を設けてもよい。構築材料は、好ましくは、レーザ１１５によって放出されたレーザ光の影響下でコヒーレント塊（coherent  mass）に変態するように構成された粉末材料である。変態は、例えば、溶融又は焼結、後続の溶融物中での凝固及び／又は重合を含み得る。構築材料は、プラスチック粉末、例えば熱可塑性粉末であってもよい。このようなプラスチック粉末の例は、ＰＡ１２（ポリアミド１２）又は他のポリアミド、ＰＥＥＫ又は他のポリエーテルケトン等のポリアリールエーテルケトンである。粉末はまた、プラスチック又は金属バインダーを含む又は含まない金属又は金属合金、或いはセラミック、或いは複合材料からの粉末、又は他の種類の粉末であってもよい。一般に、レーザ１１５によって放出されるレーザ光の影響下で粉末からコヒーレント塊に変態する能力を有する全ての粉末材料を使用することができる。構築材料はまた、粉末及び所定量の液体を含むペースト状材料であってもよい。粉末の典型的な中間の粒度は、１０μｍ〜１００μｍの間にある。レーザ１１５の発光波長は、スペクトルの近赤外範囲にあることが好ましい。好ましい波長範囲は、７５０ｎｍ〜１２００ｎｍの間となり得る。本システムで使用される波長の例は、例えば、９８０ｎｍ又は８０８ｎｍである。粉末材料は、レーザ１１５の発光波長においてレーザ光を吸収するレーザ光吸収添加剤を含むことができる。このような添加剤の例は、上記の好ましい波長を十分に吸収するのに適したカーボンブラックとし得るが、これに限定されるものではない。原理的には、適切な光吸収材料を粉末材料に添加することができ、又は粉末材料自体がレーザ１１５の発光波長において十分な吸収を示すことによって特徴付けられる限り、任意の波長が可能である。
【００３５】
図２は、第２の実施形態によるレーザ印刷システムの主要な略図である。作業領域８２がフレーム４０によって規定される。作業領域８２は、矩形の輪郭を有することができる。作業領域８２は、四角形、円形の輪郭等の他の任意の輪郭を有することができるが、これらに限定されるものではない。プリントヘッド５０は、プリントキャリア５２に取り付けられる。プリントヘッドは、プリントヘッド５０に取り付けられた全てのレーザモジュール１５０（図示せず）を駆動させるように構成された１つの共通の電源２０を有する。制御装置１０が、プリントキャリア５２とモノリシックに集積される。プリントキャリア５２及び制御装置１０は、左側の両矢印で示される方向に移動することができる。
【００３６】
図３は、第３の実施形態によるレーザ印刷システムの上面図の主要な略図を示す。第３の実施形態は、第２の実施形態と全く同様である。この場合に、プリントキャリア５２と制御装置１０とが分離される。プリントヘッド５０を含むプリントキャリア５２のみが、両矢印で示される方向に移動するように構成される。制御装置１０は、プリントヘッド５０に取り付けられた全てのレーザモジュール１５０（図示せず）に電力を供給するように適合された電源２０を有する。制御装置１０及び電源２０は、制御信号及び電力をフレキシブルワイヤを介してプリントヘッド５０に取り付けられたレーザモジュール１５０に供給する。
【００３７】
図４は、第１の実施形態によるプリントヘッド５０の主要な略図を示す。プリントヘッド５０は、１０個のレーザモジュール１５０を有する。全てのレーザモジュール１５０は、例えば図３に示されるように共通の電源２０により共通して電力供給される。さらに、全てのレーザモジュール１５０は、例えば図３に示されるように制御装置１０によって共通して制御される。制御装置１０によって、プリントヘッド５０の左側の５個のレーザモジュール１５０のスイッチがオンにされ、右側の５個のレーザモジュール１５０のスイッチがオフにされる（灰色の陰影で示される）。プリントヘッド５０は、１つの完全な層（layer）を処理するために作業領域８２を横切って２回移動しなければならない。制御装置２０は、この場合に、例えば３００ｍｍ／ｓの最大処理速度で、１０個のレーザモジュール１５０のうちの５個だけが公称電力で駆動され、それによりレーザモジュール１５０に含まれる各レーザ１１５が、例えば１．５Ｗの光出力を放出するように適合される。
【００３８】
図５は、第２の実施形態によるプリントヘッド５０の主要な略図を示す。全てのレーザモジュール１５０は、例えば図２に示されるように共通の電源２０により共通して電力供給される。さらに、全てのレーザモジュール１５０は、例えば図２に示されるように制御装置１０によって共通して制御される。レーザモジュール１５０は２列で配置される。第１のラインにおけるレーザモジュール１５０同士の間の距離は、第２のラインのレーザモジュール１５０がそのギャップを満たすことができるような距離である。従って、第２のラインのレーザモジュール１５０は、第１のラインのレーザモジュール１５０同士の間のギャップにシフトされる。制御装置１０によって、プリントヘッド５０の第１のラインの５個のレーザモジュール１５０のスイッチがオンにされ、第２のラインの５個のレーザモジュール１５０のスイッチがオフにされる（灰色の陰影で示される）。プリントヘッド５０は、第１のラインのレーザモジュール１５０同士の間のギャップを処理するために、作業領域８２を横切って２回移動しなければならない。制御装置１０は、この場合に、例えば３００ｍｍ／ｓの最大処理速度で、１０個のレーザモジュール１５０のうちの５個だけが公称電力で駆動され、それによりレーザモジュール１５０に含まれる各レーザ１１５が、例えば１．５Ｗの光出力を放出するように適合される。
【００３９】
代替実施形態では、プリントヘッド５０は、完全な層を処理するために、プリントヘッド５０が作業領域８２を３回、４回、５回以上通過しなければならないような、レーザモジュール１５０の他の分布を含んでもよい。作業領域８２を横切るパスの数は、プリントヘッド５０のレーザモジュール１５０に最大限に供給される状態での、電力削減によって決定される。
【００４０】
図６は、第３の実施形態によるプリントヘッド５０の主要な略図を示す。プリントヘッド５０は、レーザモジュール１５０のいくつかの斜めの列を含む。レーザモジュール１５０の各斜めの列は、１つの電源２０によって共通して電力供給される１１個のレーザモジュール１５０を含む。１つの斜めの列のレーザモジュール１５０は、図６に示されるプリントヘッド５０の一部の上面図において、各レーザモジュール１５０が、プリントヘッド５０の上側で開始して右に僅かにシフトされるように配置される。図１の実施形態に示されるのと同様に中央制御装置又はメイン制御装置１０は、電源２０及びレーザモジュール１５０を制御する。制御装置１０は、シフトされたパルス幅変調でレーザモジュール１５０を制御するように適合される。１つの斜めの列のレーザモジュール１５０は、ＰＷＭサイクルの異なる時間周期で起動される。列内の各レーザモジュール１５０のＰＷＭ変調基準時間内のパルス幅及び開始時間は、レーザモジュール１５０に供給されるパルス同士の間に重なりがないように選択される。パルスは、本質的に重なり合わずに互いに隣接して配置される。こうして、共通の電源２０によって１つの列のレーザモジュール１５０に供給される電流は、ＰＷＭサイクル内のパルスの分布によって平滑化される。レーザモジュール１５０同士の間のパルスシフトの分布は、シームラインを回避又は少なくとも低減するためにランダム化される。
【００４１】
図７は、第４の実施形態によるプリントヘッド５０の主要な略図を示す。プリントヘッド５０は、レーザモジュール１５０のいくつかの斜めの列を含む。レーザモジュール１５０の各斜めの列は、９個のレーザモジュール１５０を含む。１つの電源２０によって、３つの斜めの列が共通して電力供給される。１つの斜めの列のレーザモジュール１５０は、図７に示されるプリントヘッド５０の一部の上面図において、各レーザモジュール１５０が、プリントヘッド５０の上側で開始して僅かに右にシフトされるように配置される。図１の実施形態に示されるのと同様に中央制御装置又はメイン制御装置１０は、電源２０及びレーザモジュール１５０を制御する。制御装置１０は、シフトされたパルス幅変調でレーザモジュール１５０を制御するように適合される。パルスシフトは、共通の電源２０によって供給される斜めの列に亘って規則的に増大される。異なるレーザモジュール１５０に供給されるＰＷＭ変調の１周期内のパルスのパルス長さ及び開始時間は、系統的な印刷エラーを回避又は低減するために、ＰＷＭ変調の周期内でランダム化される。
【００４２】
図８は、第１の実施形態によるレーザモジュール１５０の主要な略図を示す。レーザモジュール１５０は、８列及び４行で配置された３２個のレーザ１１５（VCSEL）を含むレーザアレイ１１０を有する。レーザモジュールは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２２、信号分離器（signal  isolation）１２４、及びＰＷＭ電流源１２６を含むレーザドライバ１２０をさらに有する。レーザドライバ１２０は、制御装置１０によって提供されるデータ入力１２及び電源２０によって供給される電力入力１４に基づいて、電力をレーザ１１５に移すように構成される。
【００４３】
図９は、第１の実施形態によるレーザモジュールのグループ１６０の主要な略図を示す。レーザモジュールのグループ１６０は、フィルタ２５を含む電源２０によって電力入力１４を受け取る。フィルタ２５は、短期間に亘って（バッファキャパシタを用いずに）電源２０の制限を超える電力をレーザモジュールのグループ１６０のレーザモジュール１５０に供給するように構成されたバッファキャパシタを含む。電源２０は、電圧源（２４０Ｖ／４００Ｖ電源）から主電力入力２４を受け取る。電源２０は、制御装置１０から主データ入力２２をさらに受け取る。電源２０は、電源２０の能力に応じて主データ入力２２を適合させ、データ入力１２をレーザモジュールのグループ１６０のレーザモジュール１５０に提示するように構成されたマイクロプロセッサをさらに含む。レーザモジュール１５０の制御は、制御装置１０、電源２０、及び図８に示されるレーザドライバ１２０の分散配置によってこのアーキテクチャに提供される。
【００４４】
図１０は、第２の実施形態によるレーザモジュールのグループ１６０の主要な略図を示す。レーザモジュールのグループ１６０は、フィルタ２５を含む電源２０によって電力入力１４を受け取る。フィルタ２５は、短期間に亘って（バッファキャパシタを用いずに）電源２０の制限を超える電力をレーザモジュールのグループ１６０のレーザモジュール１５０に供給するように構成されたバッファキャパシタを含む。電源２０は、電圧源（２４０Ｖ／４００Ｖ電源）から主電力入力２４を受け取る。レーザモジュールのグループ１６０は、電力入力１４及び制御装置１０によって供給されるデータ入力１２を受け取る１つの共通のレーザドライバ１２０を有する。レーザモジュール１５０の制御は、制御装置１０及び共通のレーザドライバ１２０の分散配置によってこのアーキテクチャに提供される。
【００４５】
図１１は、第１のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。第１のＰＷＭ駆動方式は、第１のレーザピクセル（画素）１７１及び第２のレーザピクセル１７２、さらに他のレーザピクセル（図示せず）を同期して駆動させる既知の標準駆動方式である。第１又は第２のレーザピクセル１７１，１７２等は、対象物７０上の対応する画素に結像されるように配置された１つ又は複数のレーザ（又はレーザアレイ）を意味する。第１のラインは、変調基準時間１９０を有するパルスを示す。第２のラインは、ＰＷＭのパルス幅１９１を示す。パルス幅１９１は、パルス幅変調基準時間１９０の８／９である。パルス形状は、各パルスの最初から最後まで一定の電流がレーザに供給されるような長方形である。説明を簡単化するために、長方形のパルスのみを例として選択している。他のパルス形状を使用してもよい。第３のラインは、フル画素の時間１９２を示す。フル画素の時間１９２は、変調基準時間１９０の４個のパルス、従ってパルス幅１９１の４個のパルスを含む。フル画素の時間１９２に多くのパルスが含まれると、サブ画素解像度はより高くなる。第４のラインは、パルス幅１９１に対応する第１のレーザピクセル１７１が起動されたとき（黒色の長方形）を示す。第５のラインは、パルス幅１９１に対応する第２のレーザピクセル１７２が起動されたとき（黒色の長方形）を示す。第１及び第２のレーザピクセル１７１，１７２の起動の同期は、全てのレーザが同時にレーザ光を放出することを意味する。図１１に示される例は、プリントキャリア５２が５００ｍｍ／ｓの速度で移動するレーザ印刷システム１００を示す。従って、フル画素の時間１９２は、作業面８０内のフル画素の対応する長さ１９２ａに変換される。作業面８０内の第１のピクセルのエネルギー１７１ａが、フル画素の長さ１９２ａの下に示される。面積要素当たりの受け取るエネルギーは、作業面８０内のそれぞれの面積要素でエネルギーが受け取られる限り、プリントキャリア５２又はプリントヘッド５０の移動中に上昇する。パルス幅１９１の間で、作業面８０で受け取られたエネルギーの直線的な上昇が示され、その後に、パルス幅１９１の終了時に受け取った一定のエネルギーの小さな時間が続く。作業面８０内の面積要素当たりの受け取るエネルギーの上昇は、フル画素の時間１９２の終了まで続く。この瞬間の後に、対応する面積要素は、レーザ１１５からそれ以上のエネルギーを受け取れない。この受け取ったエネルギーの最大値は、例えば、作業面８０内の材料が処理される所定のエネルギー閾値レベルの２００％に対応する。プリントヘッド５０は、作業面８０の対応する面積要素を通過している。受け取ったエネルギーによって、面積要素の温度上昇が引き起こされる。温度上昇は、材料、粒度、及び他の境界条件に依存し、必ずしも作業面８０内の面積要素によって受け取られるエネルギーと線形的ではない。作業面８０内の面積要素の温度は、材料が溶融又は焼結を開始する閾値温度に達するまで上昇する。これは、作業面８０内の印刷されたフル画素１９２ｂの開始点であり、フル画素の長さ１９２ａに対応するが、作業面８０の面積要素において十分なエネルギーを受け取るために必要な時間のためにシフトされる。作業面内に生成された第１及び第２の画素１８１，１８２はまた、温度が閾値温度に達すると直ぐに開始する。生成された第１及び第２の画素１８１，１８２は、作業面８０内の焼結された又は溶融された材料の接続された領域又はより正確には体積を指す。生成された第１及び第２の画素１８１，１８２は、作業面８０内で同時に又は同じ場所で開始し、及び第１及び第２のレーザピクセル１７１，１７２によって放出されたパルスと同期される。パルス同士の間には位相シフトはない。
【００４６】
図１２は、第２のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。図１２の構造は、図１１の構造と非常に似ている。相違点は、この場合に９個のレーザピクセルを含むレーザピクセルのグループのうちの異なるレーザピクセル１７１，１７２，・・・，１７９のパルスが、互いにパルス幅１９１の１／８（又はパルス幅変調基準時間１９０の１／９）だけ位相シフトされる。パルス幅変調基準時間１９０は、この場合５０μｓである。そして、パルス幅１９１は、パルス幅変調基準時間１９０の８／９である。フル画素の時間１９２は、４個のパルス幅変調基準時間１９０を含み、従って２００μｓである。フル画素の時間１９２に対応するフル画素の長さ１９２ａが１００μｍとなるように、プリントヘッド５０は５００ｍｍ／ｓの速度で移動する。印刷されたフル画素１９２ｂもまた１００μｍである。１／９×５０μｓのレーザパルスの開始時間の位相シフトは、生成された画素１８１，１８２，・・・に対応するシフトを生じさせる。第１番目に生成された画素１８１と第９番目に生成された画素１８９との間の最大誤差１９５又は最大シフトは、８／９×２５μｍである。パルスの位相シフトは、レーザ１１５又はレーザモジュールを駆動させるために必要な電流又は電力が平滑化されるという効果を有する。図１１に示される実施形態のようなレーザ光が放出されない２つのパルスの間には（休止）時間がない。レーザピクセルグループの８個のレーザピクセルは、公称電力で同時に駆動される。従って、レーザピクセルのグループを駆動するために平均１／９未満の電気エネルギーが必要であり、駆動電流は、図１１に示される実施形態と比較して本質的に一定である。
【００４７】
図１３は、第３のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。第３のＰＷＭ駆動方式は、制御装置１０を含むレーザ印刷システム１００に適合され、制御装置１０は、５００ｍｍ／ｓのプリントヘッド５０の最大処理速度で、９個のレーザピクセル又はモジュールのグループのうちの２つのレーザピクセル又はモジュールだけが公称電力で駆動されるように適合される。プリントヘッド５０は、多数のそのようなレーザピクセル又はモジュールのグループを含む。この場合に、９個のレーザピクセルを含むレーザピクセルのグループのうちの異なるレーザピクセル１７１，１７２，・・・，１７９のパルスは、互いにパルス幅１９１の１／８（又はパルス幅変調基準時間１９０の１／９）だけ位相シフトされる。パルス幅変調基準時間１９０は、この場合５０μｓである。パルス幅１９１は、パルス幅変調基準時間１９０の２／９であり、それによりレーザピクセル１７１，１７２，・・・，１７９のうちの２つのみが同時に駆動される。フル画素の時間１９２は、１６個のパルス幅変調基準時間１９０を含み、従って８００μｓである。フル画素の時間１９２に対応するフル画素の長さ１９２ａが再び１００μｍとなるように、プリントヘッド５０は５００／４ｍｍ／ｓの減速した速度で移動する。印刷されたフル画素１９２ｂもまた１００μｍである。１／９×５０μｓのレーザパルスの開始時間の位相シフトは、生成された画素１８１，１８２，・・・に対応するシフトを生じさせる。第１番目に生成された画素１８１と第９番目に生成された画素１８９との間の最大誤差１９５又は最大シフトは、８／９×６．２５μｍである。第３のＰＷＭ駆動方式によって、低減された入力電力及び印刷速度で作業面８０内の完全な層の印刷が可能になる。対象物７０を印刷するために使用される材料及び粒子に応じて、（例えば、熱放散によって引き起こされる）非線形効果が存在し得る。これらの非線形効果に応じて駆動方式を適合させる必要があり得る。図１３に示されるように、画素同士の間の系統的な、特に規則的な位相シフトを回避することによって、対象物７０のエッジ部における印刷エラーの視認性を低減することができる。２つのレーザピクセル１７１，１７２，・・・，１７９のみが印刷中にレーザ光を放出する境界条件下でランダムな位相シフトをパルスに適用することは、このような系統的な印刷エラーの視認性を低減させるのに役立ち得る。
【００４８】
図１４は、第４のＰＷＭ駆動方式の主要な略図を示す。第４のＰＷＭ駆動方式は、制御装置１０を含むレーザ印刷システム１００に適合され、制御装置１０は、５００ｍｍ／ｓのプリントヘッド５０の最大処理速度で、４個のレーザピクセル又はモジュールのグループのうちの１つのレーザピクセル又はモジュールだけが公称電力で駆動されるように適合される。プリントヘッド５０は、多数のそのようなレーザピクセル又はモジュールのグループを含む。この場合に、４個のレーザピクセルを含むレーザピクセルのグループのうちの異なるレーザピクセル１７１，１７２，１７３，１７４のパルスは、互いに対してパルス幅変調基準時間１９０の１／４だけ位相シフトされる。パルス幅変調の基準時間１９０は、この場合２００μｓである。パルス幅１９１は、パルス幅変調基準時間１９０の２／９であり、それによりレーザピクセル１７１，１７２，１７３，１７４のうちの１つだけがある瞬間に駆動される。フル画素の時間１９２は、４個のパルス幅変調基準時間１９０を含み、従って８００μｓである。フル画素の時間１９２に対応するフル画素の長さ１９２ａが１００μｍとなるように、プリントヘッド５０は５００／４ｍｍ／ｓの減速した速度で移動する。印刷されたフル画素１９２ｂもまた１００μｍである。１／４×２００μｓのレーザパルスの開始時間の位相シフトは、生成された画素１８１，１８２，１８３，１８４に対応するシフトを生じさせる。第１番目に生成された画素１８１と第４番目に生成された画素１８９との間の最大誤差１９５又は最大シフトは、１８．７５μｍである。第４のＰＷＭ駆動方式によって、低減した入力電力及び印刷速度で作業面８０内の完全な層の印刷が可能になる。
【００４９】
図１３及び図１４に関して特に提供される説明は、レーザモジュール内のレーザ１１５又はレーザモジュールのグループ内のレーザモジュールに当てはまる。駆動方式は、例えば、極端な場合に全てのレーザモジュールを短時間に亘って同時に駆動させることを可能にするバッファキャパシタによって修正することができる。パルス幅変調基準時間１９０、パルス幅１９１、レーザパルス同士の間の位相シフト、パルス振幅、又は、例えば１つの電源２０によって供給されるレーザ又はレーザモジュールのグループの多数の可能な構成と組み合わせることができるレーザパルスの形状の多数の可能なバリエーションが存在する。
【００５０】
図１５は、レーザ印刷方法の方法ステップの主要な略図を示す。作業面８０内の対象物７０は、ステップ２１０においてプリントヘッド５０に対して移動される。プリントヘッド５０は、レーザモジュールの総数１５０を含む。レーザモジュール１５０のうちの少なくとも２つが、電源２０を共有する。ステップ２２０において、レーザモジュール１５０によってレーザ光が放出される。レーザモジュールは、レーザ１１５から構成される少なくとも１つのレーザアレイ１１０を含む。レーザモジュール１５０は、ステップ２３０において、プリントヘッド５０の最大処理速度において、レーザモジュールの所定数１５０のみを公称電力で駆動させることができるように制御され、ここでレーザモジュールの所定数１５０は、レーザモジュール１５０の総数よりも少ない。
【００５１】
レーザが公称電力で並列に駆動されるにもかかわらず、レーザに供給され得る最大入力電力を低減することが、上記の実施形態の基本的な考えである。これは、所与の構造を最大で処理するために、所定数より多くのレーザモジュールを公称電力で駆動しなければならない場合に、レーザの一部のスイッチをオフにしなければならないか、又はレーザによって放出される出力が低減される結果となる。両方とも、全体の生成時間が増大するという結果となる。この結果は、通常、生成時間の８０％においてレーザの１０％〜２０％のみが公称電力で駆動されるという事実を考慮すれば許容される。従って、処理速度の低下は、２０％に限定されるが、例えば２０％以上が並行して起動される。処理速度の全体的な低下は小さいが、プリントヘッド及びレーザモジュールの電源に関する複雑性の低減は著しい。
【００５２】
電力削減戦略の有用性を最大限にするために、電気システムにおいていくつかの変更が必要な場合がある。外部電源は、十分に多数のレーザモジュールに亘って共有しなければならない。レーザモジュールの数は、レーザに提供又は供給される入力電力を制限するために使用される構成に依存する。１つの電源によって、上述したように、例えば斜めの列又は行等のレーザモジュールのグループに十分供給しなくてはならない。他の構成では、１つの電源を用いて全てのレーザモジュールに供給することが有益となり得る。外部電源を共用することで、ある領域のより大きな構造が焼結されても、供給電流が制限されたままになるという効果がある。必要となる低減したピーク電力は、依然として許容可能な電流分布の規模を維持する。さらに、シフトされたＰＷＭを用いた制御変調を可能にすることが有益となり得る。シフトされたＰＷＭは、パルス長さ及び位相に関してＰＷＭ制御によって特に実現され得る。商業的に利用可能な制御装置は、シフトされたＰＷＭによる制御を可能にするように構成される。
【００５３】
本発明について図面及び上記の詳細な説明において詳細に図示し且つ説明してきたが、そのような図示及び説明は、例示又は例であり、限定的ではないと見なすべきである。
【００５４】
本開示を理解することにより、他の改変が当業者には明らかになるであろう。そのような改変は、当技術分野で既に知られている他の特徴、及び本明細書において既に記載した特徴の代わりに又はそれに加えて使用され得る他の特徴を含み得る。
【００５５】
開示された実施形態に対する変形形態は、図面、明細書の開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、当業者によって理解され、達成し得る。特許請求の範囲において、「備える、有する、含む（comprising）」という単語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a,  an）」は、複数の要素又はステップを除外するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用できないことを示すものではない。
特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、その特許請求の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【符号の説明】
【００５６】
１０      制御装置
１２      データ入力
１４      電力入力
２０      電源
２２      主データ入力
２４      主電力入力
２５      フィルタ（電力を供給するためのバッファキャパシタ（複数可）を含む）
３０      対象物キャリア
４０      フレーム
５０      プリントヘッド
５２      プリントキャリア
７０      対象物
８０      作業面
８２      作業領域
１００    レーザ印刷システム
１１０    レーザアレイ
１１５    レーザ
１２０    レーザドライバ
１２２    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２４    信号分離器
１２６    ＰＷＭ電流源
１５０    レーザモジュール
１６０    レーザモジュールのグループ
１７１    第１のレーザピクセル
１７１ａ  標的材料上の第１の画素のエネルギー
１７２    第２のレーザピクセル
１７３    第３のレーザピクセル
１７４    第４のレーザピクセル
１７９    第９のレーザピクセル
１８１    生成された第１の画素
１８２    生成された第２の画素
１８３    生成された第３の画素
１８４    生成された第４の画素
１８８    生成された第９の画素
１９０    パルス幅変調基準時間
１９１    パルス幅
１９２    フル画素の時間
１９２ａ  フル画素の長さ
１９２ｂ  印刷されたフル画素
１９５    最大誤差
２１０    移動ステップ
２２０    レーザ光を放出するステップ
２３０    制御ステップ
【要約】
本発明は、作業面（８０）内の対象物（７０）を照射するためのレーザ印刷システム（１００）について記載する。対象物（７０）は、レーザ印刷システム（１００）のプリントヘッド（５０）に対して移動する。プリントヘッド（５０）は、レーザモジュール（１５０）の総数を含み、各レーザモジュール（１５０）は、レーザ（１１５）から構成される少なくとも１つのレーザアレイ（１１０）を含む。レーザモジュール（１５０）のうちの少なくとも２つが、電源（２０）を共有する。レーザ印刷システム１００は、プリントヘッド（５０）の最大処理速度において、レーザモジュールの所定数（１５０）のみを公称電力で駆動させることができるように適合された制御装置（１０）をさらに含み、レーザモジュールの所定数（１５０）は、レーザモジュールの総数よりも少ない。本発明はさらに、対応するレーザ印刷の方法に関する。レーザ印刷システム及び方法によって、例えば、処理速度を僅かに低下させるだけで、全てのレーザを公称電力で駆動するのに必要とされる総電力の僅か２０％のレーザ印刷システムを設計することが可能になる。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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