(57)【要約】  空間光変調器を使用した並行プリント方法に基づく高精度積層造形システム。レーザービーム経路中のＤＭＤを使用した積層造形のための方法及びシステム。造形レーザービーム経路に沿ったＤＭＤを有する造形レーザービームとの組み合わせでの予加熱レーザービームの使用。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下の層に融合される粉末金属層上にパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散と圧縮の両方を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システム。
【請求項２】
請求項１における前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである。
【請求項３】
請求項１における前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項４】
請求項１における前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項５】
請求項１における前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項６】
請求項１における前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項７】
請求項１における前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである。
【請求項８】
請求項１における前記レーザーは、光導体又はマイクロレンズホモジナイザーによって均質化される。
【請求項９】
請求項１における前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割されることができる。
【請求項１０】
請求項１における前記空間光変調器は、マイクロミラーのアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイである。
【請求項１１】
請求項１における前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である。
【請求項１２】
請求項１０における前記ＤＭＤは空冷式である。
【請求項１３】
請求項１０における前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である。
【請求項１４】
請求項１０における前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される。
【請求項１５】
請求項１における前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む。
【請求項１６】
請求項１における前記システムは、加熱された造形プレートを含む。
【請求項１７】
請求項１における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む。
【請求項１８】
請求項１における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む。
【請求項１９】
請求項１における前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む。
【請求項２０】
前記パターンが照射される場所のみで前記粉末層を加熱するための別個の補助レーザーを含む、請求項１のシステム。
【請求項２１】
前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システム内の前記光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
請求項１における前記システムの前記レーザー−空間変調器の組み合わせが、前記粉末層上に数ｋＷの出力密度を有する画像を生成する。
【請求項２４】
粉末金属層上にパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器であって、前記粉末金属層は前記粉末層を予加熱するための補助レーザーの補助のもとでその下の層と融合される、レーザー及び空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システム。
【請求項２５】
請求項２４における前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである。
【請求項２６】
請求項２４における前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項２７】
請求項２４における前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項２８】
請求項２４における前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項２９】
請求項２４における前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項３０】
請求項２４における前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである。
【請求項３１】
請求項２４における前記レーザーは、光導体又はマイクロレンズホモジナイザーによって均質化される。
【請求項３２】
請求項２４における前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割されることができる。
【請求項３３】
請求項２４における前記補助レーザーは、４５０ｎｍの青色レーザーである。
【請求項３４】
請求項２４における前記補助レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項３５】
請求項２３における前記補助レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項３６】
請求項２３における前記補助レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項３７】
請求項２３における前記補助レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項３８】
請求項２３における前記補助レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである。
【請求項３９】
請求項２３における前記補助レーザーは、光導体又はマイクロレンズホモジナイザーによって均質化される。
【請求項４０】
請求項２３における前記補助レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割されることができる。
【請求項４１】
請求項２３における前記空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。
【請求項４２】
請求項２３における前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である。
【請求項４３】
請求項４１における前記ＤＭＤは空冷式である。
【請求項４４】
請求項４１における前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である。
【請求項４５】
請求項４１における前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される。
【請求項４６】
請求項２４における前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む。
【請求項４７】
請求項２４における前記システムは、加熱された造形プレートを含む。
【請求項４８】
請求項２４における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む。
【請求項４９】
請求項２４における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む。
【請求項５０】
請求項２４における前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む。
【請求項５１】
前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５２】
前記システム内の前記光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項５３】
請求項２４における前記システムの前記レーザー−空間変調器の組み合わせが、前記粉末層上に数ワットから数ｋワットの出力密度を有する画像を生成する。
【請求項５４】
請求項２４における前記システムで予加熱のために使用される前記補助レーザーは、数ワットから数ｋワットの出力密度を有する前記空間フィルターレーザーシステムの前記粉末層上の前記画像と重なる領域を生成する。
【請求項５５】
下の層と融合する粉末金属層上に１つの大きなパターンを形成するための複数のレーザー及び複数の空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システム。
【請求項５６】
請求項５５における前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである。
【請求項５７】
請求項５５における前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項５８】
請求項５５における前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項５９】
請求項５５における前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項６０】
請求項５５における前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項６１】
請求項５５における前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである。
【請求項６２】
請求項５５における前記レーザーは、光導体、マイクロレンズホモジナイザー、又は回折光学素子（ＤＯＥ）によって均質化される。
【請求項６３】
請求項５５における前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割されることができる。
【請求項６４】
請求項５５における前記空間光変調器は、マイクロミラーのアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイである。
【請求項６５】
請求項５５における前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である。
【請求項６６】
請求項５５における前記ＤＭＤは空冷式である。
【請求項６７】
請求項５５における前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である。
【請求項６８】
請求項５５における前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される。
【請求項６９】
請求項５５における前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む。
【請求項７０】
請求項５５における前記システムは、加熱された造形プレートを含む。
【請求項７１】
請求項５５における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む。
【請求項７２】
請求項５５における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む。
【請求項７３】
請求項５５における前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む。
【請求項７４】
前記パターンが照射される場所のみで前記粉末層を加熱するための別個の補助レーザーを含む、請求項５５のシステム。
【請求項７５】
前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項７６】
前記システム内の前記光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項７７】
請求項５５における前記システムの前記レーザー−空間変調器の組み合わせが、前記粉末層上に数ｋＷの出力密度を有する画像を生成する。
【請求項７８】
下の層と融合する粉末金属層上に画像部と非画像部のチェッカー盤パターンを形成するための複数のレーザー及び複数の空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、前記粉末を広げて融合の前に圧縮することができる粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システム。
【請求項７９】
請求項７８における前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである。
【請求項８０】
請求項７８における前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項８１】
請求項７８における前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項８２】
請求項７８における前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項８３】
請求項７８における前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである。
【請求項８４】
請求項７８における前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである。
【請求項８５】
請求項７８における前記レーザーは、光導体、マイクロレンズホモジナイザー、又は回折光学素子（ＤＯＥ）によって均質化される。
【請求項８６】
請求項７８における前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割されることができる。
【請求項８７】
請求項７８における前記空間光変調器は、マイクロミラーのアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイである。
【請求項８８】
請求項７８における前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である。
【請求項８９】
請求項７８における前記ＤＭＤは空冷式である。
【請求項９０】
請求項７８における前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である。
【請求項９１】
請求項７８における前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される。
【請求項９２】
請求項７８における前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む。
【請求項９３】
請求項７８における前記システムは、加熱された造形プレートを含む。
【請求項９４】
請求項７８における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む。
【請求項９５】
請求項７８における前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む。
【請求項９６】
請求項７８における前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む。
【請求項９７】
前記パターンが照射される場所のみで前記粉末層を加熱するための別個の補助レーザーを含む、請求項７８のシステム。
【請求項９８】
前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する、請求項７８に記載のシステム。
【請求項９９】
前記システム内の前記光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する、請求項７８に記載のシステム。
【請求項１００】
請求項７８における前記システムの前記レーザー−空間変調器の組み合わせが、前記粉末層上に数ｋＷの出力密度を有する画像を生成する。
【請求項１０１】
画像を生成し、前記画像を前記ＤＭＤに亘って動かして前記移動しているガントリーシステム上に静止画像を生成して、融合される前記材料に前記パターンをプリントするための前記露光時間を延ばすようにする、レーザー−空間光変調器の組み合わせ。
【請求項１０２】
金属粉末から金属物体を形成するための積層造形システムであって、
前記システムは：
ａ．造形レーザービーム経路に沿って造形レーザービームを提供するレーザー光源；
ｂ．金属粉末を加熱するための加熱手段；
ｃ．前記レーザービーム経路上のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）であって、前記造形レーザービームが前記ＤＭＤに向けられるようにされており、前記ＤＭＤは、前記ＤＭＤから前記レーザービーム経路に沿って光学アセンブリに反射される２−Ｄ画像パターンを生成する、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）；及び、
ｄ．前記レーザービームを前記金属粉末に向けて、前記２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末に送られるようにする前記光学アセンブリ；
を備える積層造形システム。
【請求項１０３】
前記加熱手段が、電気ヒーター、輻射ヒーター、ＩＲヒーター、及びレーザービームからなる群から選択された、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０４】
前記加熱手段が、青色波長領域内の波長を有するレーザービームである、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０５】
前記金属粉末が金属粉末の層を形成する、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記レーザービームが青色と緑色からなる群から選択された波長を有する、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０７】
前記レーザービームが、約４５０ｎｍ、約４６０ｎｍ、約５１５ｎｍ、約５３２ｎｍ、及び約５５０ｎｍからなる群から選択された波長を有する、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記レーザー光源が、約１ｋＷから約２０ｋＷの出力を有する、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、又は１０７に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記２−Ｄ画像が、約２ｋＷ／ｃｍ２から約５ｋＷ／ｃｍ２のピーク出力密度を前記金属粉末に送達する、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、又は１０８に記載のシステム。
【請求項１１０】
前記ＤＭＤが最大平均出力密度レベルを有し；前記金属粉末上での前記２−Ｄ画像の前記ピーク出力密度のレベルが、前記ＤＭＤの前記最大平均出力密度レベルよりも少なくとも５００倍大きい、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、又は１０９に記載のシステム。
【請求項１１１】
前記ＤＭＤが最大平均出力密度レベルを有し；前記金属粉末上での前記２−Ｄ画像の前記ピーク出力密度のレベルが、前記ＤＭＤの前記最大平均出力密度レベルよりも少なくとも１，０００倍大きい、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９又は１１０に記載のシステム。
【請求項１１２】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の２００℃以内に加熱するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム。
【請求項１１３】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の１００℃以内に加熱するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム。
【請求項１１４】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の４００℃以内に加熱するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム。
【請求項１１５】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の６００℃以内に加熱するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム。
【請求項１１６】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の４００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム。
【請求項１１７】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の６００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム
【請求項１１８】
前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の２００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持するようにされた、請求項１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０又は１１１に記載のシステム
【請求項１１９】
第２の造形レーザービーム経路に沿った第２の造形レーザービームを提供する第２のレーザー光源、及び前記第２のレーザービーム経路上の第２のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備え、前記第２の造形レーザービームが前記第２のＤＭＤに向けられ、前記第２のＤＭＤが前記第２のＤＭＤから前記第２のレーザービーム経路に沿って第２の光学アセンブリに反射される第２の２−Ｄ画像パターンを生成する、請求項１０２〜１１８の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１２０】
前記２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末の第１エリアに送達され、前記第２２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末の第２エリアに送達される、請求項１１９に記載のシステム。
【請求項１２１】
前記第１エリアと前記第２エリアが異なる、請求項１１９に記載のシステム。
【請求項１２２】
前記第１エリアと前記第２エリアが隣接している、請求項１１９に記載のシステム。
【請求項１２３】
金属粉末から金属物体を形成するための積層造形システムであって、
前記システムは、
ａ．造形レーザービーム経路に沿って造形レーザービームを提供するレーザー光源；
ｂ．加熱レーザービームを提供するための第２のレーザー光源；
ｃ．前記レーザービーム経路上のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）であって、前記造形レーザービームは前記ＤＭＤに向けられるようにされており、前記ＤＭＤは、前記ＤＭＤから前記レーザービーム経路に沿って光学アセンブリに反射される画像を生成する、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）；及び、
ｄ．前記レーザービームを前記金属粉末に向けて、前記画像が前記金属粉末に送られるようにする前記光学アセンブリ；
を備える、積層造形システム。
【請求項１２４】
最適化された時間的な又はパターン的なグレースケールで２−Ｄパターンを粉末層上に投影して、前記熱が、前記溶けた金属のたまりを、より明瞭な形状移行とより高密度な部品とを生み出す前記所望の造形形状へと操作するようにする、レーザー−空間光変調器の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この本願は、（ｉ）米国特許法第３５条§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０１８年８月２４日に出願された米国仮出願第６２／７２２，１９８の出願日の利益及び優先権の利益を主張し、並びに（ｉｉ）米国特許法第３５条§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０１８年９月１日に出願された米国仮出願第６２／７２６，２３３の出願日の利益及び優先権の利益を主張し、それぞれの開示全体が参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
本発明は、材料のレーザー加工に関し、特に、約３５０ｎｍから約７００ｎｍの波長を有するレーザービームを使用したレーザー積層造形処理を含む、材料のレーザー造形（laser building）に関する。
【背景技術】
【０００３】
（例えば、７００ｎｍよりも大きな波長、特に１，０００ｎｍよりも大きな波長を有する）赤外（ＩＲ）に基づいた積層造形システムは、とりわけ、２つの短所、すなわち造形体積（build volume）と造形速度（build speed）の両方が制限されるという短所を抱えている。このようなＩＲシステムにおいて、造形体積は、スキャニングシステムの限界サイズ、並びに所定の焦点距離のコリメートレンズ及びｆθレンズのために作られるスポットによって、制限される。例えば、そのような従来のＩＲシステムにおいては、焦点距離１４ｍｍのコリメートレンズと焦点距離５００ｍｍのｆθレンズを使用した場合、スポットサイズは回折限界ＩＲレーザービームに対して約３５０μｍである。これは、造形原材料、例えば粉末層、の上に約８５ｍｍ×８５ｍｍの指定可能なフットプリント（foot print）を与え、これは次いでその所与の解像度（例えば、スポットサイズ）での造形体積の有限の限界（finite limitation）を付与又は規定する。ＩＲレーザーシステムに対する造形速度についての第２の制限は、材料によるレーザービームの吸収である。もともと、たいていの造形原材料は赤外スペクトラム内の波長に対して控えめな低い反射性を有していたが、積層造形において、とても高いＩＲ反射性を有する金、銀、プラチナ、銅、アルミニウム、及びそれらの合金のような金属が使用し始められたときに、これらのＩＲ高反射性の造形材料をＩＲ積層造形で使用することに対する問題に直面した。結果として、造形原材料、例えば、粉末層又は粒子への赤外レーザーエネルギーの結合は、そのエネルギーのかなりの部分が造形原材料から離れて又は後方に若しくは造形原材料内にさらに深く反射された状態となり、制限される。これらの制限はさらに一緒に関連付けられるか又は結び付けられて、ＩＲ積層システムの問題や欠点を悪化させる。よって、赤外レーザー光の有限な侵入深さは、最適な層厚さを決定し、結果として加工の解像度を制限する。よって、ＩＲレーザーシステムは、典型的な造形原材料に対するそれらの反射性のために、層厚さが制限され、よって解像度が制限される。
【０００４】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、「ＵＶ」、「紫外」、「ＵＶスペクトラム」、「スペクトラムのＵＶ部分」、及び同様な用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、約１０ｎｍから約４００ｎｍ、及び１０ｎｍから４００ｎｍの波長の光を含む。
【０００５】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「可視」、「可視スペクトラム」、「スペクトラムの可視部分」、及び同様な用語は、最も広い意味を与えられるべきであり、約３８０ｎｍから約７５０ｎｍ、及び４００ｎｍから７００ｎｍの波長の光を含む。
【０００６】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「青色レーザービーム」、「青色レーザー」、及び「青色」は、最も広い意味を与えられるべきであり、また概してレーザービーム、レーザービーム、レーザー光源、例えば、４００ｎｍ（ナノメーター）から５００ｎｍ及び約４００ｎｍから約５００ｎｍの波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝搬させる、レーザー及びダイオードレーザーを提供するシステムを参照する。青色レーザーは、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍの波長を含む。青色レーザーは、約１０ｐｍ（ピコメーター）から約１０ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、及び約２０ｎｍ、並びにより大きな値及び同様な値のバンド幅を有し得る。
【０００７】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、用語「緑色レーザービーム」、「緑色レーザー」、及び「緑色」は、最も広い意味を与えられるべきであり、また概してレーザービーム、レーザービーム、レーザー光源、例えば、５００ｎｍから５７５ｎｍ及び約５００ｎｍから約５７５ｎｍの波長を有するレーザービーム又は光を提供、例えば伝搬させる、レーザー及びダイオードレーザーを提供するシステムを参照する。緑色レーザーは、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３１ｎｍ、５５０ｎｍ、約５５０ｎｍの波長を含む。緑色レーザーは、約１０ｐｍから約１０ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、及び約２０ｎｍ、並びにより大きな値及び同様な値のバンド幅を有し得る。
【０００８】
概して、本明細書で使用する場合、用語「約」及び記号「〜」は、特に明記しない限り、±１０％の変化又は範囲、上述の値を取得するのに関連した実験的又は装置的エラー、及び好ましくはそれらのより大きな変化又は範囲を包含する。
【０００９】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、室温は２５℃である。また、標準環境温度及び標準環境圧力は２５℃及び１気圧である。特に明記しない限り、全てのテスト、テスト結果、物理的特性、並びに温度依存性の値、圧力依存性の値、又はそれら両方に依存する値は、標準環境温度及び標準環境圧力で与えられ、これには粘度も含まれうる。
【００１０】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、ここでの値の範囲の列挙は、単にその範囲内に含まれるそれぞれ別個の値を個別に参照する簡単な方法としての役割を果たしているだけである。本明細書で特に明記しない限り、範囲内のそれぞれの個別の値は、あたかもそれらが本明細書に個別に列挙されているかのように、本明細書内に組み込まれている。
【００１１】
典型的には、積層造形において現在採用されている方法は、赤外レーザー、及びレーザービームを粉末層の表面に亘って所定のパターンでスキャンするためのガルバノメーターを使用する。ＩＲレーザービームは、液化された粉末を溶かして下層又は基台に融合させるキーホール溶接加工を引き起こすのに十分な強度を有するものである。このやり方には、加工の速度を決める幾つかの制限がある。例えば、単一のレーザービームが表面をスキャンするために使用され、造形速度はガルバノメーターの最大スキャン速度（７ｍ／秒）によって制限される。製造業者らは、ＩＲ技術を強く利用しようとし、典型的には唯一の可視波長であると信じ、よって、２つ以上のＩＲレーザー／ガルバノメーターをシステムに組み込むことによって、その２つが連動して１つの部品を造形するか、又は独立して動作して複数の部品を並行して造形することができるようにして、この制限を克服するように努めているが、限定的な成功しか得られない。これらの努力は、積層造形システムの処理能力を改善する目的で行なわれるが、もっぱらＩＲに集中してきており、限定的な成功しか得られてこず、改善された積層造形に対する長年の需要を満たしていない。
【００１２】
ＩＲプロセスにおける別の制限の例は、ＩＲレーザー／ガルバノメーターシステムによって対応可能な体積の限界である。固定ヘッドシステムにおいて、造形体積は、ｆθレンズの焦点距離、ガルバノメーターのスキャン角度、ＩＲレーザーの波長、及び赤外レーザーのビーム品質によって決まる。例えば、５００ｍｍのｆθレンズを用いた場合、ＩＲレーザーは、回折限界赤外レーザーに対して約５０μｍのスポットサイズを生成する。レーザービームが１００ワットの光出力で動作している場合には、ビームの強度はキーホール溶接モードを開始するのに要求される強度よりも大きい。キーホール溶接モードは蒸発した材料のプルームを生じさせ、このプルームは交差噴流によってレーザービームの経路の外に取り除かれなければならず、さもなければレーザービームは蒸発した金属によって散乱及び吸収される。また、溶接のキーホールモードは液体金属の表面に穴を形成し、穴は蒸発した金属の蒸気圧によって維持されるため、蒸発した金属以外の材料をキーホールから放出する。この材料はスパッタと呼ばれ、溶けた材料が造形平面上の他の場所に堆積する結果となり、これは最終製品に欠陥を生じさせ得る。積層造形システムの製造業者らは、ラピッドプロトタイピング装置の開発において限定的な成功しか得られておらず、長年の需要を満たして商業的な又は実際の部品を製造するのに必要な要求を達成していない。これを達成するためには、部品のパターニング方法において本発明以前には成し遂げられていない飛躍的進歩が必要である。
【００１３】
概して、ＩＲプロセス及びシステムに関する問題及び欠点は、キーホール溶接モードで粉末を融合する要件又は要求である。これは、典型的には、単一ビームを粉末の加工に使用することによるものである。レーザービームが１００ワットの光出力で動作している場合には、ビームの強度はキーホール溶接モードを開始するのに要求される強度よりも大きい。キーホール溶接モードは蒸発した材料のプルームを生じさせ、このプルームは交差噴流によってレーザービームの経路の外に取り除かれなければならず、さもなければレーザービームは蒸発した金属によって散乱及び吸収される。また、溶接のキーホールモードは液体金属の表面に穴を形成し、穴は蒸発した金属の蒸気圧によって維持されるため、蒸発した金属のような材料はキーホールから放出される。この材料はスパッタと呼ばれ、溶けた材料が造形平面上の他の場所に堆積する結果となり、これは最終製品に欠陥を生じさせ得る。
【００１４】
オプティカリー・アクティベイテッド・ライト・バルブ（Optically Activated Light Valve） （ＯＡＬＶ）を使用したローレンス・リバモア国立研究所（Lawrence Livermore National Laboratories）による最近の研究では、これらのＩＲの制限を対処する試みがなされた。ＯＡＬＶは、高出力レーザーを用いて光パターンを生成するために使用される高出力空間光変調器である。ＯＡＬＶ上のパターンはプロジェクターからの青色ＬＥＤ又はレーザー光源で作り出され、４つのレーザーダイオードアレイからの出力は空間光変調器を介して伝送されて画像を融点にまで加熱するために使用され、キーホール溶接を開始するためにＱスイッチＩＲレーザーが必要とされる。ＩＲレーザーは、キーホールモードにおいて溶接を開始するために使用され、特に銅又はアルミニウム材料を融合するときに、これらの材料に対して必要とされる。このキーホール溶接プロセスは、通常、スパッタ、部品の多孔性、及び大きな表面粗さを生じさせる。よって、ＯＡＬＶシステムは、典型的なＩＲシステムと同様に、造形プロセスのキーホール開始の副作用を排除していない。キーホール溶接ステップを完全に避けるのが良いが、技術はこの問題に打ち勝つことができておらず、またこの解決策を提供していない。この欠点は主として、多くの金属のＩＲ波長での吸収特性がとても低く、プロセスを開始するのに高ピーク出力レーザーが必要とされるために生じる。ＯＡＬＶはスペクトラムのＩＲ領域においてのみ透過的であるので、高エネルギー光源として可視レーザー光源を使用するこのタイプのシステムを構築又は使用することは適切ではない。このシステムの部品のコスト、とりわけカスタム品であるＯＡＬＶは、非常に高い。
【００１５】
従来の金属ベースの積層造形装置は、粉末層の中にバインダーを噴霧し次いで高温での圧密ステップを行なうこと、又はガルバノメーターシステムによって高出力シングルモードレーザービームで粉末層上を高速にスキャンすること、の何れかを基本としている点で非常に制限される。これらの両方のシステムは、技術が克服することができなかったかなりの低下を有する。前者のシステムは、部品の大量生産が可能であるが、それは圧密プロセス中の部品の収縮による大きな公差を有する。後者のプロセスは、使用可能な最大出力レベルレーザーが制限されるガルバノメーターのスキャン速度によって造形速度が制限され、結果として造形速度が制限される。スキャンベースの積層造形システムの製造業者らは、複数のスキャンヘッド及びレーザーシステムを備える装置を構築することによってこの制限を克服しようとしてきたが、これはこれらの問題に対する適切な解決策をもたらしていない。これは、確かにスループットを増加させるが、スケーリング則は線形であり、換言すると２つのレーザースキャナーを備えるシステムは１つのスキャナーを備えるシステムに比べて２倍の部品を造形することができるだけであるか、又は１つの部品を２倍の速度で造形することができるだけである。よって、既存のシステムの制限に悩まされることのない、高いスループットのレーザーベースの金属積層造形システムが必要とされている。
【００１６】
背景技術は、本発明の実施形態に関連するであろう技術の様々な態様を紹介することを意図している。よって、この項での上述の記載は本発明をよりよく理解するためのフレームワークを提供しており、従来技術の承認として見なされるべきではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、積層造形プロセス及びシステムがより広く普及するように、ＩＲ積層造形システム及びプロセスに関するこれらの及びその他の問題を解決し、これらの及びその他の長年の要求や将来的な要求に対処する。本発明は、とりわけ、本願で教示され開示される製造、装置、及びプロセスの項目を提供することによって、これらの問題及び要求を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
したがって、３−Ｄシステムが提供され、この３−Ｄシステムは、空間光変調器、空間光変調器のアレイ、及びその両方を使用してエネルギーパターンを粉末層上に形成し、プラスチック又はナイロン材料を直接融合するか、又はその領域の温度を主レーザーがスキャンする領域の融点を僅かに下回る温度に制御する。この手法を検討する理由はシステムのエネルギー効率を改善するためであることが理論化される。現在のところ、輻射ヒーター、ゾーン輻射ヒーター、又は造形プレート温度制御システムの何れかが、処理されるビード全体を予加熱するために使用される。予加熱される領域の大きさを削減することにより、システムの全体的な消費エネルギーを低減することができる。
【００１９】
また、本発明の一実施形態は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）空間光変調器、ＤＭＤデバイスのアレイ、及びその両方を使用することを基本とし、連続モードで動作している場合には出力密度は１００Ｗ／ｃｍ２以下に制限されなければならず、これはプラスチックを溶かして流すのには十分であるが、金属を溶かして融合するのには十分でない。
【００２０】
下の層に融合される粉末金属層上にエネルギーパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器、空間光変調器のアレイ、並びのその両方と、粉末層に亘って画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、粉末の拡散と圧縮の両方を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００２１】
さらに、以下の特徴の１つ以上を有するレーザー、システム、及び方法が提供される。３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザー；４００−５００ｎｍの波長のレーザー；５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザー；６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザー；８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の波長の赤外レーザー；前記レーザーは、光導体、マイクロレンズホモジナイザー、回折素子、並びにこれらの組み合わせ及び変形例によって均質化される；前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割される；前記空間光変調器は、マイクロミラーのアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイである；前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である；前記ＤＭＤは空冷式である；前記ＤＭＤは水冷式である；前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である；前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される；前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む；加熱された造形プレートを含む；前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む；前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む；前記パターンが照射される場所のみで前記粉末層を加熱するための別個の補助レーザーを含む；前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する；前記システム内の光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する；前記レーザー−空間変調器の組み合わせが金属を融合するのに必要な数Ｗ／ｃｍ２の出力密度を有する画像を前記粉末層上に生成する。
【００２２】
さらに、粉末金属層上にパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器であって、粉末層を予加熱するための第２のレーザーの補助のもとで例えば伝導モード溶接プロセスを使用することによってその下の層に融合される粉末金属層上にエネルギーパターンを形成するための、レーザー及び空間光変調器、空間光変調器のアレイ、並びにその両方と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートし、前記画像を前記ヘッドの動きと同期された前記ＤＭＤに亘ってスクロールすることによって前記画像を連続的にプリントするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮の両方を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００２３】
また、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、チタン、鋼鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅、これらの組み合わせ、及び粉末と同じ又は異なる材料でありうる他の材料を含む、さまざまな金属材料を含む造形プレートの特徴を有するこれらのシステム及び方法が提供される。
【００２４】
さらに、以下の特徴の１つ以上を有するレーザー、システム、及び方法が提供される。前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである；前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである；前記レーザーは、光導体又はマイクロレンズホモジナイザーによって均質化される；前記レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割される；補助レーザーがある；前記補助レーザーは、４５０ｎｍの青色レーザーである；前記補助レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記補助レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記補助レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記補助レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記補助レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである；前記補助レーザーは、光導体、マイクロレンズホモジナイザー、又は回折光学素子によって均質化される；前記補助レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割される；前記システムは空間光変調器を有する；前記空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である；前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である；前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む；前記システムは、加熱された造形プレートを含む；前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む；前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む；前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む；前記システムは前記部品造形のために不活性雰囲気を使用する；前記システムは、前記システム内の光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する；前記システムは、前記粉末層上に数ワットから数ｋワットの出力密度を有する画像を生成するレーザー−空間変調器の組み合わせを有する。
【００２５】
また、以下の特徴の１つ以上を有するこれらのレーザー、システム、及び方法が提供される。第２のレーザーを有し、前記第２レーザーは、前記システムにおいて予加熱のために使用され、また数ワットから数ｋワットの出力密度を有する前記空間フィルターレーザーシステムの前記粉末層上の前記画像と重なる領域を生成する；レーザーシステムは、数ワットから数ｋワットの出力密度を有する粉末層を有する。
【００２６】
さらには、下の層と融合する粉末金属層上にパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮の両方を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００２７】
加えて、以下の特徴の１つ以上を有するこれらのシステム、サブシステム、及び方法が提供される。前記レーザーは、約４５０ｎｍの青色レーザーである；前記レーザーは、３００−４００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、４００−５００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、５００−６００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、６００−８００ｎｍの範囲の波長のレーザーである；前記レーザーは、８００ｎｍ−２０００ｎｍの範囲の赤外レーザーである；前記補助レーザーは、光導体又はマイクロレンズホモジナイザーによって均質化される；前記補助レーザーは、複数のプリントヘッド又は複数のプリンターシステムの間で時分割される；前記空間光変調器は、マイクロミラーのアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイである；前記空間光変調器は、数Ｗから数ｋＷの出力レベルを扱うことができるいずれかのクラスの空間光変調器である；前記ＤＭＤは空冷式である；前記ＤＭＤは、マイクロチャネル冷却器のような水熱交換器による水冷式である；前記ＤＭＤは、ペルチェ冷却器によって冷却される；前記システムは、前記造形チャンバーの温度を維持するための帯状輻射ヒーターを含む；前記システムは、加熱された造形プレートを含む；前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するためのパイロメーター又はＦＬＩＲカメラを含む；前記システムは、前記造形プレートの温度を監視又は制御するための、前記造形プレートに埋め込まれた熱電対又はＲＴＤを含む；前記システムは、前記最適造形計画を決定するためのソフトウェアを含む；前記システムは、前記パターンが照射される場所のみで前記粉末層を加熱するための別個の補助レーザーを含む；前記システムは、造形された部品のために不活性雰囲気を使用する；前記システム内の光学部品を清浄に保つために不活性雰囲気を使用する；前記システムの前記レーザー−空間変調器の組み合わせが、前記粉末層上に数ｋＷの出力密度を有する画像を生成する。
【００２８】
さらには、粉末金属層上にパターンを形成するためのレーザー及び空間光変調器であって、前記粉末金属層は前記粉末層を予加熱するための第２のレーザーの補助のもとでその下の層と融合する、レーザー及び空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００２９】
またさらに、下の層と融合する粉末金属層上に１つの大きなパターンを形成するための複数のレーザー及び複数の空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末の拡散及び圧縮を可能とする粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００３０】
また、下の層と融合する粉末金属層上に画像部と非画像部のチェッカー盤パターンを形成するための複数のレーザー及び複数の空間光変調器と、前記粉末層に亘って前記画像をステップアンドリピートするためのガントリーシステムと、移動制御システムと、各層が融合されたときに前記部品を下方に移動させるためのエレベータと、融合の前に前記粉末を広げて圧縮することができる粉末分配システムと、気密造形チャンバーと、を使用する、金属のための積層造形システムが提供される。
【００３１】
またさらに、画像を生成し、前記画像を前記ＤＭＤに亘って動かして前記移動しているガントリーシステム上に静止画像を生成して、融合される前記材料に前記パターンをプリントするための前記露光時間を延ばすようにする、レーザーと空間光変調器の組み合わせが提供される。またさらに、金属粉末から金属物体を形成するための積層造形システムであって、前記システムは、造形レーザービーム経路に沿って造形レーザービームを提供するレーザー光源；金属粉末を加熱するための加熱手段；前記レーザービーム経路上のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）であって、前記造形レーザービームは前記ＤＭＤに向けられるようにされており、前記ＤＭＤは、前記ＤＭＤから前記レーザービーム経路に沿って光学アセンブリに反射される２−Ｄ画像パターンを生成する、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）；及び、前記レーザービームを前記金属粉末に向けて、前記２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末に送られるようにする前記光学アセンブリ；を備える積層造形システムが提供される。
【００３２】
加えて、以下の特徴の１つ以上を有するこれらのシステム、サブシステム、及び方法が提供される。前記加熱手段が、電気ヒーター、輻射ヒーター、ＩＲヒーター、及びレーザービームからなる群から選択される；前記加熱手段が、青色波長領域内の波長を有するレーザービームである；前記金属粉末が金属粉末の層を形成する；前記レーザービームが青色と緑色からなる群から選択された波長を有する；前記レーザービームが、約４５０ｎｍ、約４６０ｎｍ、約５１５ｎｍ、約５３２ｎｍ、及び約５５０ｎｍからなる群から選択された波長を有する；前記レーザー光源が、約１ｋＷから約２０ｋＷの出力を有する；前記２−Ｄ画像が、約２ｋＷ／ｃｍ２から約５ｋＷ／ｃｍ２のピーク出力密度を前記金属粉末に送達する；前記ＤＭＤが最大平均出力密度レベルを有する；前記金属粉末上での前記２−Ｄ画像の前記ピーク出力密度のレベルが、前記ＤＭＤの前記最大平均出力密度レベルよりも少なくとも５００倍大きい；前記ＤＭＤが最大平均出力密度レベルを有する；前記金属粉末上での前記２−Ｄ画像の前記ピーク出力密度のレベルが、前記ＤＭＤの前記最大平均出力密度レベルよりも少なくとも１，０００倍大きい；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の２００℃以内に加熱する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の１００℃以内に加熱する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の４００℃以内に加熱する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の６００℃以内に加熱する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の４００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の６００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持する；前記加熱手段が、前記粉末を前記金属粉末の融点の２００℃以内に加熱して、前記粉末をその温度に維持する；第２の造形レーザービーム経路に沿った第２の造形レーザービームを提供する第２レーザー光源を有する；前記第２のレーザービーム経路上の第２のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備え、前記第２の造形レーザービームが前記第２のＤＭＤに向けられ、前記第２のＤＭＤが前記第２のＤＭＤから前記第２のレーザービーム経路に沿って第２の光学アセンブリに反射される第２の２−Ｄ画像パターンを生成する；前記２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末の第１エリアに送達され、前記第２の２−Ｄ画像パターンが前記金属粉末の第２エリアに送達される；前記第１エリアと前記第２エリアが異なる；前記第１エリアと前記第２エリアが隣接している。
【００３３】
加えて、以下の特徴の１つ以上を有するシステム、サブシステム、及び方法が提供される。前記ＤＭＤアレイは、以下の波長の少なくとも一つの波長に最適化されている：青色波長領域、４００ｎｍ、約４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍ、緑色波長領域、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍ、６００ｎｍから７００ｎｍの赤色波長領域。
【００３４】
加えて、以下の特徴の１つ以上を有するシステム、サブシステム、及び方法が提供される。前記造形レーザービームは、以下の波長の少なくとも一つから選択された波長を有する。青色波長領域、４００ｎｍ、約４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍ、緑色波長領域、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍ、６００ｎｍから７００ｎｍの赤色波長領域。
【００３５】
またさらに、金属粉末から金属物体を形成するための積層造形システムであって、前記システムは、造形レーザービーム経路に沿って造形レーザービームを提供するレーザー光源；加熱レーザービームを提供するための第２のレーザー光源；前記レーザービーム経路上のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）であって、前記造形レーザービームは前記ＤＭＤに向けられるようにされており、前記ＤＭＤは、前記ＤＭＤから前記レーザービーム経路に沿って光学アセンブリに反射される画像を生成する、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）；及び、前記レーザービームを前記金属粉末に向けて、前記画像が前記金属粉末に送られるようにする前記光学アセンブリ；を備える、積層造形システムが提供される。
【００３６】
またさらに、最適化された時間的な又はパターン的なグレースケールを有する２−Ｄパターンを粉末層上に投影して、前記熱が、前記溶けた金属のたまりを、より明瞭な形状移行とより高密度な部品とを生み出す前記所望の造形形状へと操作するようにする、レーザー−空間光変調器の組み合わせが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る積層造形システムの一実施形態の斜視図である。
【００３８】
【図２】本発明に係るレーザーＤＭＤプリントヘッドの実施形態の切断斜視図である。
【００３９】
【図３】本発明に係る所与の出力の実施形態における、パルス幅と繰り返し数を比較したチャートである。
【００４０】
【図４Ａ】本発明に係るレーザー空間光変調器の実施形態を使用してプリントされたパターンの写真である。
【図４Ｂ】本発明に係るレーザー空間光変調器の実施形態を使用してプリントされたパターンの写真である。
【００４１】
【図５】本発明に係るシステムの実施形態における粉末層中への青色光の吸収を、ＩＲレーザーシステムと比較したチャートである。
【００４２】
【図６】本発明に係る予加熱ビームと造形レーザービームの重ねあわせの実施形態の概略図である。
【００４３】
【図７】本発明に係るシステム及び方法におけるタイミングの実施形態のフローダイヤグラムである。
【００４４】
【図８】本発明に係るシステム及び方法におけるタイミングの実施形態のフローダイヤグラムである。
【００４５】
【図９】本発明に係るマルチＤＭＤレーザープリンターシステムの実施形態の概略図である。
【００４６】
【図１０】本発明に係るマルチＤＭＤレーザープリンターシステムの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
概して、本発明は、材料のレーザー加工、材料による高い又は増加したレベルの吸収性を有するようにするために、予め選択されたレーザービーム波長を加工される材料に合わせることによるレーザー加工、より大きな速度、より高い効率、及び造形される物体のより大きなサイズを提供するシステム構成、並びに、特に原材料を大きな構造体、部品、コンポーネント、及び物品とする、出発原材料による高い吸収性を有するレーザービームを備えた、レーザー積層造形に関する。
【００４８】
当該システム及び方法の実施形態は、如何なるレーザー波長を使用することもできるが、好ましい実施形態では一対の青色レーザーを使用し、融合される粉末層の上にパターンを画定するための手段として空間光変調器を使用して、並行して部品の層をプリント及び融合する。実施形態におけるレーザー光源及びレーザービームは、青色波長領域の波長を有することができ、好ましくは４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍの波長であり、約１０ｐｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、及び約２ｎｍから約１０ｎｍのバンド幅を有することができ、並びにより大きな値及びより小さな値を有することができる。実施形態におけるレーザー光源及びレーザービームは、緑色波長領域の波長を有することができ、例えば、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２、５５０ｎｍ、約５５０ｎｍの波長とすることができ、また約１０ｐｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約２ｎｍから約１０ｎｍのバンド幅を有することができ、並びにより大きな値及びより小さな値を有することができる。これらのさまざまな波長の組み合わせ及び変形例がシステムにおいて使用され得る。
【００４９】
当該システム及び方法の実施形態におけるプリントエンジンは、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）アレイを基本としており、その実施形態はテキサス・インスツルメンツ（ＴＩ）から入手可能であり、プリントされる２−Ｄエネルギーパターンを生成する。ＴＩによって作られた全てのＤＭＤ製品がこのプロセスの対象であり、図４Ａ及び４Ｂのパターンをプリントするために使用されたＤＭＤはＤＬＰ９５００である。２−Ｄエネルギーパターンは、融合される粉末の層の上にレーザービーム又はレーザービームパターンが形成する画像を意味する。本明細書で説明されるように、この画像は、２−Ｄエネルギーパターン、すなわち粉末の層の上の画像として観察されるが、エネルギーが層の中に浸透して材料を造形物体の下の層に融合するので、深さ、即ち３−Ｄ特性を有する。これらのプリントエンジンは、本明細書で提供されるレーザー積層造形システム及び方法並びに他のもののいずれとともにでも使用可能である。ＤＭＤアレイから反射された青色レーザーは、再結像されたときに、数ワットから数ｋワットの出力密度を粉末層上の２−Ｄエネルギーパターンに提供する。粉末層を２−Ｄエネルギーパターンが結像される正確な場所で予加熱するために第２の青色レーザーを加え、レーザー−空間光変調器の組がパターン化された粉末を下層に融合するために必要とするエネルギーを低減させることができる。このプリントエンジンは、２−Ｄ画像を繋ぎ合わせて部品の１つの層である大きな２−Ｄ画像を形成することができる精密なガントリーシステム上に搭載される。システムは、好ましくは、ガントリーシステムの一部又はガントリーシステムとは別の粉末拡散器と、造形容積の一部としてのエレベータとを含む。造形容積は、好ましくは非常に低酸素であり、より好ましくは無酸素であり、アルゴンのような不活性ガス、又は融合プロセスを促進するアルゴン−ＣＯ２のような混合ガスで満たすことができる。粉末層とチャンバーは、製造プロセス中の部品からの熱損失を低減するために、電気ヒーター、輻射ヒーター、並びにこれらの又は他のタイプのヒーターの組み合わせ及び変形形態によって直接加熱することができる。一実施形態では、伝導モード溶接プロセスは各層を融合するための好ましい方法であり、これは、本明細書で教示及び開示された当該実施形態の以前には全ての積層造形走査レーザーシステムにおける典型的なプロセスであったキーホールプロセスにおいて通常引き起こされるスパッタを排除する。
【００５０】
概して、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）は、アルミニウム製の非常に小さいミラーを使用し、光を反射して画像を作り出す装置である。ＤＭＤはＤＬＰチップとも呼ばれる。これらの装置の実施形態は、これらの断面寸法（例えば、四角の一辺、円の直径、又は長方形の長い方の辺、これらの装置は他の形状を有することもある）について、数センチメートル（ｃｍ）、約１ｃｍから約３ｃｍ、約１ｃｍから約２ｃｍ、１センチメートル以下、０．５ｃｍ未満、０．２ｃｍ未満、又はそれ未満とすることができる。これらのＤＭＤは、約１００，０００から４百万、少なくとも約１００，０００、少なくとも約５００，０００、少なくとも約百万、約２百万、又はそれより多くのミラーを含み、各ミラーは、約４μｍ以下、約７．５６μｍ以下、約１０．８μｍ以下、約１０μｍ以下、約４μｍから約２０μｍ、並びにこれら及びより大きな及び小さなサイズの組み合わせ及び変形例に分けられている。ミラーは、例えば、写真のモザイクのようなマトリックスなどの所与のパターンで配置され、各ミラーが１つのピクセルを表わしている。
【００５１】
一実施形態では、ＤＭＤは、その論理値（０又は１）に従ってミラーをオン位置又はオフ位置に静電気的に傾けるメモリーセルであるＣＭＯＳ・ＤＤＲ・ＳＲＡＭチップと、ヒートシンクと、ミラーをほこりや屑から保護しながらレーザーを通す光学窓と、を含む。
【００５２】
実施形態では、ＤＭＤは、形成されて表示される画像のピクセルに対応した典型的には方形アレイに並べられている数十万以上の微細なミラーをその表面上に有する。ミラーは、オン状態又はオフ状態にまで、例えば±１０−１２°又はそれより多く若しくは少なく、個々に回転される。オン状態では、レーザー光源からのレーザー、例えば、造形レーザー及び造形レーザービームはレンズ内へと反射され、そのピクセルが造形レーザーのエネルギーを粉末層上の画像に向ける。オフ状態では、レーザービーム、例えば造形レーザーは、別の場所、例えばビームダンプに向けられ、そのピクセルが画像又は粉末の融合に寄与しないようにする。実施形態において、予加熱レーザービームもＤＭＤデバイスに向けられてＤＭＤデバイスから反射されるようにして、予加熱画像を層の粉末上に形成するようにすることもできることを理解されたい。
【００５３】
写真のグレースケールと同様であると理論化できる一実施形態においては、ミラーはオンとオフを非常に素早く切り替えられ、オフ時間に対するオン時間の比が粉末層内の粉末の融合又は結合の量を決定する。これにより、レーザー出力、及び粉末層上でのレーザービームの出力密度（例えば、ｋＷ／ｃｍ２）を、レーザー光源からの出力ビーム出力を変えること無く、制御することが可能となる。いくつかの実施形態では、５００より多くの異なる出力及び出力密度、７００より多くの異なる出力及び出力密度、並びに１００、０００より多くの異なる出力及び出力密度を得ることができる。グレースケール効果を実現する代替の方法では、加工される材料での熱拡散距離に比べて小さいサイズである個々のピクセルに落とすように、画像をピクセル化する。これにより、画像に送られる平均出力が効率的に低減される。このグレースケールは、時間的であれ空間的であれ、溶融プールを操作してそれを好ましい形状とするために使用することができる。
【００５４】
当該システム、プリントヘッド、及びプリントエンジンで使用するためのＤＭＤの実施形態は、ＴＩから入手することができ、これらのＤＭＤには、デジタルコントローラを備えた、ＤＬＰ２０１０、ＤＬＰ３０００、ＤＬＰ３０１０、ＤＬＰ４５００、ＤＬＰ４７１０、ＤＬＰ５５００、ＤＬＰ６５００、ＤＬＰ７０００、ＤＬＰ９０００、ＤＬＰ９０００ｘ、ＤＬＰ９５００；ＤＬＰＡ２０００、ＤＬＰＡ３０００、ＤＬＰＡ３００５、ＤＬＰＣ３４３０、ＤＬＰＣ３４３３、ＤＬＰＣ３４３５、ＤＬＰＣ３４３８、ＤＬＰＣ３４３９、ＤＬＰＣ３４７０、ＤＬＰＣ３４７８、が含まれる。
【００５５】
図１には、一実施形態にかかる積層造形システム１００が示されている。システム１００は、ベース１０８と、ベース１０８上に取り付けられたガントリーシステム１０１を有する。ガントリーシステム１０１は、ＤＭＤプリントヘッド１０３を移動させる。この移動は、ｘ軸１０２又はｙ軸１０２ａ内である。システム１００は、（部品の上に次の層が堆積されるようにするためにその部品を下に移動させるための）粉末層エレベータ１０４、粉末層拡散器１０５、及び粉末ローラー１０６を有する。ＤＭＤプリントヘッド１０３からの画像１０７は、図面において、粉末の表面上に示されている。システムは、層流エアーナイフ１０９、及びパイロメーター又はＦＬＩＲカメラ１１０を有する。ベース１０８及びガントリーシステム１０１は、例えば、ガントリーの電源線や制御線及びレーザービーム伝送のための光ファイバーを収めることができるワイヤーハーネス１１１を有する。レーザー光源又はその一部は、実施形態においては、ガントリー上に位置してガントリーとともに移動する。実施形態においては、レーザー光源は、ベースから離れて、レーザーヘッドから離れて、又は両方から離れて配置され、例えば、光ファイバーによってレーザーヘッド１０３に接続され、例えば光学連通して配置される。レーザー光源は、レーザービームがプリントヘッドにまで自由空間を伝搬するフライング光学ヘッドデザイン（flying optic head design）によって接続されてもよい。
【００５６】
図２には、一実施形態のレーザーＤＭＤプリントヘッド２００の切断斜視図が示されている。この実施形態は、図１のシステムおよび他のシステムを含む、本発明の如何なるシステムとともにでも使用可能である。レーザーＤＭＤプリントヘッド２００は、光学部品を収容するハウジング２３０を有し、また第１のレーザー入力部２０１、第２のレーザー入力部２１２、及び出力又は射出窓２０９を有する。ハウジング２３０の中へと伝搬したレーザービームは、光学部品によって向けられて整形され、その後に射出窓２０９を通ってハウジング２３０から出てパターンを（この図では示されていない粉末層上に）形成する。一実施形態においては、これらレーザー入力部２０１、２１２は、例えば、レーザー光源に接続されて光学連通してレーザービームをプリントヘッドに伝送するＱＢＨ光ファイバーケーブルのような、レーザー光源からのレーザービームを伝導するためのコネクタ及びファイバーである。ハウジング２３０内の光学部品は２つレーザービーム経路を画定し、それぞれが入力部のためのものである。第１のレーザービーム経路に沿ってレーザービーム伝搬の方向で、入力部２０１、コリメートレンズ２０５、反射ミラー２０６、（冷却器２０３よって冷却される）ＤＭＤ２０２、（冷却器を有していてもよい）オフ状態ビームダンプ２０４、及びＤＭＤ結像レンズ２０８があり、ＤＭＤ結像レンズ２０８からのレーザービームが窓２０９を通って伝搬して画像２１０を形成する。第２のレーザービーム経路に沿ってレーザービーム伝搬の方向で、入力部２１２、コリメートレンズ２１０、反射ミラー２０７、（結像レンズ２０８、これは第２のビーム経路内にあってもなくてもよく、第２の又は別の結像レンズが採用されてもよい）があり、そして窓２０９を通って粉末層上の場所に至る。
【００５７】
積層造形システムの一実施形態において、第１のレーザービーム経路は、造形レーザービーム及び造形レーザービーム経路であり、粉末を融合して物体を造形するレーザービームである。造形レーザービームは、青色波長領域の好ましくは４４０ｎｍ、約４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍの波長、緑色波長領域の例えば５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍの波長を有することができる。造形レーザービームは本明細書に記載されている如何なる出力、出力密度、ピーク出力、及び繰り返し数を有することができる。第２のレーザービーム経路及びその経路に沿って伝搬する第２のレーザービームは、予加熱レーザービームである。それは同じ波長である必要はなく、４４０ｎｍから１，１００ミクロンのどの波長とすることもでき、又は造形レーザーと同じ波長とすることもでき、粉末層上でより小さい、同様な、又はより高い出力密度を有し、また粉末を融合して物体を造形するための造形レーザーの能力を手助けするために、粉末層を予加熱するため及び粉末層の温度を維持するために使用される。
【００５８】
一実施形態のプリントヘッド２３０においては、第２のレーザー入力部２１２は粉末の層を予加熱するためのレーザー光源に接続されている。このように、第２のレーザービーム経路、及びそれに関連する光学部品は、予加熱システムのためのものである。よって、この実施形態では、第１のビーム経路及びコネクタ２０１から窓２０９を通って画像２１０に至るまでの部品は、上述のように、粉末層材料を一緒に融合するためのレーザービーム、すなわち造形レーザービーム又は融合レーザービームを提供し、第２のビーム経路は予加熱レーザービームを提供するためのものである。
【００５９】
当該システム及び方法の実施形態は如何なるレーザー波長を使用することもできるが、好ましい実施形態は、一対の青色レーザーを使用し、融合される粉末層上の２−Ｄエネルギーパターンを画定するための手段としてレーザーのアレイと組み合わせた空間光変調器のアレイを使用して部品の層を並行してプリント及び融合する。エネルギーパターンは、部品の別の部分又は別個の部品が並列に加工されるときに、連続的な又は分離したものとすることができる。複数のエネルギーパターニングシステムを一緒に組み合わせることによって、より高い総合出力を粉末層の表面に送達することができ、結果として、より大きな部品を単一パルスでプリントすることが可能となり、その装置での造形速度がかなり向上する。ＤＭＤの出力対応能力の限界のために、複数のＤＭＤが使用される。シェルフ（shelf）ＤＭＤシステムは、バックプレート温度及び冷却方法に応じて、２５Ｗ／ｃｍ２から７５Ｗ／ｃｍ２までの青色レーザー光を継続的に取り扱う能力がある。加工される部品が大きいほど、表面に亘って２−Ｄパターンを完全に溶かすのに必要な合計出力は大きくなる。実施形態におけるＤＭＤは送達される出力に対して限定要因になりうるので、所望の高い造形速度を達成するのに必要なエリアスケーリング（area scaling）をもたらすために複数のＤＭＤを並列に使用することができる。さらに、このプリントエンジンは、２−Ｄ画像を繋ぎ合わせて部品の単一層であるより大きな２−Ｄ画像を形成するようにする精密ガントリーシステム上に搭載されている。システムの実施形態は、ガントリーシステムの一部としての又はガントリーとは別の粉末拡散器、及び造形容積の一部としてのエレベータを含むことができる。造形容積は、低減された酸素を有するべきであり、好ましくは無酸素であって、例えばアルゴンのような不活性ガス又はアルゴン−ＣＯ２などの融合プロセスを促進するための混合ガスで満たすことができる。エネルギーでパターン化されたエリアは、補助レーザー光源によって予加熱されるか、又は電気ヒーター及び輻射ヒーターによって直接加熱されて、製造プロセス中の部品からの熱損失を低減することができる。補助レーザー又は補助加熱源は、粉末層のベース温度を上昇させ、レーザー／空間変調器システム、すなわち溶融又は造形レーザービーム又は積層造形システムのサブシステムによって粉末を溶かすために必要とされるエネルギーを低減させる。実施形態では、伝導モード溶接プロセスが各層を融合するための好ましい方法であり、これは、全ての積層造形走査レーザーシステムにおける基本的なプロセスであるキーホールプロセスにおいて通常引き起こされるスパッタを排除する。
【００６０】
２−Ｄエネルギーパターニングシステム（３−Ｄ造形のための）
【００６１】
このシステムのための好ましい実施形態は、ＴＩのデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。このアレイは、伝搬光をオフ又はオンに切り替えるように命令されたときに傾くマイクロミラーで構成されている。グレースケールは、ミラーの位置若しくはレーザーの設定出力をプロセス中に高速で変調して表面に送達されるエネルギーの量を設定するか、又はミラー画像全体に亘ってオフ状態にランダムに切り替えて画像内の平均出力密度を低減することによって、成し遂げられる。好ましいＤＭＤアレイは、レーザービームの波長で使用するために最適化されたものであり、例えば、青色波長領域の波長の、好ましくは４００ｎｍ、約４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍに最適化されたもの、また、緑色波長領域の波長に最適化されたものであり、例えば５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍ、及び６００ｎｍから７００ｎｍの赤色波長領域とすることもできる。可視波長の光のための典型的なＤＭＤは、４５０ｎｍで８８％の反射性、及び６４％を超える回折効率を有する。この高い透過率によってこれらのデバイスは、冷却方法に応じて、２５Ｗ／ｃｍ２以上の平均出力密度を取り扱うことができ、また青色、緑色、及び赤色（可視光）の波長の造形レーザービームを取り扱うことができる。マイクロチャネル冷却器を備えたＤＭＤで行なわれたテストでは、そのデバイスを最大７５Ｗ／ｃｍ２の出力密度で動作させることが安全であることが示された。ＤＭＤは、約２５Ｗ／ｃｍ２から１６０Ｗ／ｃｍ２、約５０Ｗ／ｃｍ２から１００Ｗ／ｃｍ２、約２５Ｗ／ｃｍ２から７５Ｗ／ｃｍ２、及びそれより大きい又は小さい値の動作出力密度、例えば平均出力密度定格（average power density rating）を有することができる。平均出力密度定格は、このデバイスに対する連続加熱負荷定格（continuous heat load rating）である。高い反射性のために、低い繰り返し数での短いパルスは、デバイスの連続出力定格よりもかなり高い出力密度を有することができる。図３には、この平均出力密度を維持するための所与の繰り返し数に対する最大パルス幅の見積もりを与えるチャートが示されている。見積もりは、１５０Ｗ（ワット）から６ｋＷ（キロワット）のレーザー出力レベル定格に対して行なわれている。６ｋＷでは、ＤＭＤデバイス上での瞬間出力密度又はピーク出力は、ＤＬＰ９５００デバイスにおいて２．５ｋＷ／ｃｍ２であり、そのデバイスの平均出力密度定格よりも１，０００倍以上大きい。出力スループットのこのレベルは、レーザーパルス幅が短くてデューティーサイクルが低いことでデバイス上での平均出力が最大定格を超えないため、達成できる。光学コーティング、この例では強化アルミニウムは、吸収したエネルギーがコーティングミラーの損傷閾値を超えない限りにおいては、非常に高いピーク出力レベルを維持することができる。パルスモードでのアルミニウム光学コーティングの損傷レベルは、典型的にはショートパルスに対して１０−５０ＭＷ／ｃｍ２であり、当該システムのこの用途はこの損傷限界よりも十分に下である。また、ミラーの熱質量は、入射エネルギーの１２％を吸収する働きをし、ミラーの温度を推奨動作範囲内に維持するための��与の出力密度に対する最大露光時間を決定する。結果として、当該ＤＭＤシステム及び方法は、金属粉末を直接的に融合することができるピーク強度を、ＤＭＤを損傷させることなく、粉末層に送達することができる。
【００６２】
したがって、当該システムの実施形態において、積層造形システム及び積層造形方法でのＤＭＤデバイスは、レーザービームの影響下にあり、レーザービームを反射して粉末層上に画像を形成し、レーザービームは粉末層上でＤＭＤに対する平均出力密度定格の２倍、１０倍、１００倍、１、５００倍、１００倍から１，０００倍、及びそれより大きなピーク出力密度（ｋＷ／ｃｍ２）を有する。
【００６３】
図４Ａ及び４Ｂには、プリントされたパターンの写真が示されている。図４Ａには、直接的に融合された金属粉末が示されており、この例では、１００μｍの厚さの銅粉末の層であり、「Ｎ」の画像がレーザー／空間変調器システムによって直接プリントされている。銅粉末の融点は１０８５℃である。図４Ｂは、レーザー／空間変調器システムによって直接プリントされた第２の文字「Ｕ」を示している。粉末は、手動で予め配置され、加工前に不純物を取り除くために１００℃で加熱された。プリントプロセスは、文字Ｎの画像をＤＭＤにダウンロードすることから始まる。青色レーザーシステムは、推奨動作点の２５Ｗ／ｃｍ２を維持するデューティーサイクルで４ミリ秒の間パルスを発し、３．７ｋＷ／ｃｍ２の出力密度に相当する８５ワットのピーク出力を粉末層の表面上に送達する。このテストには低出力レーザーが使用されたので、粉末を加熱してそれを画像に融合するのに十分なエネルギーが貯まるまで、移動しているガントリーシステム上の画像が静止するようにＤＭＤ上の画像はスクロールされた。画像は、次いで、次の文字に変更されて、プロセスは繰り返された。粉末層は２０℃であったので、粉末を加熱して溶かすための全てのエネルギーはレーザー／空間光変調器システムによってもたらされた。文字は、約５００μｍの高さ、５００μｍの幅である。より高いレーザー出力と加熱された層を用いることで、粉末を単一パルスで溶かすことも実現可能である。
【００６４】
一実施形態において、６ｋＷの青色レーザー光源（造形レーザービーム）は、パルス幅６．５ミリ秒、繰り返し数３Ｈｚで動作され、これは銅粉末を使用した場合の７５ｃｃ／ｈｒを超える造形速度に相当する。レーザーエネルギーをＤＭＤに亘って均等に分布させるためにホモジナイザーが使用される。ＤＭＤ上での出力密度は、幅２ｃｍ×高さ１．１ｃｍで、２．５ｋＷ／ｃｍ２である。ＤＭＤは、１０．８μｍピッチで１，９２０ミラー×１，０８０ミラーの解像度を有する。ＤＭＤミラーのこの波長での反射率は約８８％であり、装置の窓の透過率は９７％であり、ＤＭＤの回折効率はこの波長で〜６２％であり、結像光学系の透過率は９９％であると推定される。２：１の結像光学系を使用して、１０ｍｍ×５．５ｍｍの画像が粉末層に送られ、その見積損失は粉末層上でレーザー−空間光変調器の組み合わせから〜６ｋＷ／ｃｍ２の出力密度となり、これは図４Ａ及び４Ｂのテストで使用された強度の１．６倍であり、送られた総エネルギーは６０倍より大きい。「システム」の画像の解像度は約５．０４μｍであり、システムに他のどのようなレーザー焼結手法よりも高い解像度を与える。ＤＭＤチップの公開された平均出力密度は２５Ｗ／ｃｍ２に限定されているので、６ｋＷレーザー光源に対して６．５ミリ秒のパルス幅が選択され、これは粉末層に送られる約２１ジュールのエネルギーに相当する。図４Ａ及び４Ｂに示された実験では、照射領域がたったの０．５ｍｍ×０．５ｍｍであったので、必要とされるエネルギー付与はかなり低かった（０．３４ジュール）。層の温度が６００℃であったと仮定すると、２５％の空洞が含まれる１０ｍｍ×５．５ｍｍ×０．１ｍｍの体積の銅粉末を溶かすのに１４ジュールのエネルギーが必要であったと見積もられる。この分析は、必要なエネルギーを押し上げる基板の加熱を考慮していない。部品の第１層をプリントするときに最も大きなエネルギーが必要とされ、そこでは粉末を溶かして融合するのに必要なエネルギーが熱エネルギーの基板への拡散によって３倍に増加する。このステップで必要とされる追加のエネルギーを送るように結像システムを補助するために補助加熱レーザーを使用することができる。造形が進むと、今度は熱拡散が前の層の質量の要因となり、部品が薄いほど必要な出力は小さくなり、前の層の寸法が大きいほど必要な出力は大きくなり、第１層を造形プレートに結合する間に最も高い出力が必要とされる。
【００６５】
システム又は方法の解像度により、システムによって造形された物体はその最も小さい部分又は最も小さい寸法が上述の解像度と等しくなることを意味し、例えば、解像度は造形することができる物体の最小寸法を画定する。よって、レーザーシステムの解像度及び方法の解像度によって、システム及び方法は、その解像度で部品を造形する、すなわちその部品にその解像度での特徴を持たせる能力を有することを意味する。よって、例として７５μｍの解像度は、７５μｍの最小寸法、７５μｍの最小特徴部、又はその両方、を有する部品を造形する能力をもたらすであろう。青色レーザー３−Ｄ積層造形システム、例えば３−Ｄ青色レーザープリンターの実施形態、及び青色レーザー３−Ｄ積層造形方法の実施形態は、約０．５μｍから約２００μｍ以上、約０．５μｍから約１００μｍ、約０．５μｍから約５０μｍ、約１００μｍ未満、約７５μｍ未満、約５０μｍ未満、約２５μｍ未満、約１０μｍ未満、及び約５μｍ未満の解像度を有する。このシステムは、大きな解像度、例えば２００μｍより大きい解像度と、約０．５μｍから約１０μｍ及び１μｍから約５μｍの非常に細かい解像度との両方の能力を有することができる。また、本明細書の実施形態や例、並びに、青色、４４０ｎｍ、約４４０ｎｍ、４６０ｎｍ、緑色、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍ、５５０ｎｍ、及び約５５０ｎｍの波長を有する実施形態、及び本明細書の実施形態や例、を含む当該システム及び方法の実施形態は、約１０μｍから約０．５μｍ、１０μｍ未満、５μｍ未満、２μｍ未満、約３μｍから約０．９μｍ、約１μｍ、より小さな値、及びこの段落内の他の値の解像度を有する。
【００６６】
図５は、青色レーザー光が銅粉末層の中にどのくらい速く吸収されるのかのＩＲレーザーに対する比較である。ＩＲレーザーは融合されるパターンの外側の粉末層内に拡散されて、より高い出力レベルのレーザーが必要となり、解像度は高い拡散要因によってＩＲでは制限されるので、青色レーザー光の高い吸収率は、このプロセスで所望の解像度、造形速度、及びその両方を得るための要因となる。したがって、光の１００％が吸収されるという仮定を使うことができる。もし粉末層が７５％の密集度であれば、粉末層を６００℃から銅の融点である１０８５℃にまで加熱するのに必要なエネルギーは、熱容量の計算式に基づいて計算することができる。相転移が含まれるので、必要なエネルギーの計算には融解熱が含まれる。２つの成分の合計に基づいて、１０ｍｍ×５．５ｍｍ×１００μｍの体積の銅を溶かすのに必要なエネルギーは約１４ジュールである。この計算に基づいて、好ましくは粉末のベース温度が金属を溶かすのに必要なエネルギーを補償するために調節されるか、又は画像エリアを予加熱するために補助レーザーが使用されれば、現在入手可能な典型的なＤＭＤアレイは金属ベースの積層造形システムにおいて使用するのに適している。
【００６７】
５００ワットの青色レーザー光源を使用して銅粉末層をＤＭＤを介して加熱する実施形態は、１．５Ｈｚの繰り返し数でパルスが発せられるときに、最大で７８ミリ秒までのパルス幅を提供することができる。これら条件下で、５００ワットの青色レーザー光源は、４００℃のバックグラウンド層温度から銅を溶かすのに十分なエネルギーである３９ジュールを銅粉末層に供給する。
【００６８】
いくつかの実施形態では、レーザー−空間光変調器の組み合わせは５０μｍの厚さの粉末層を溶かすのに十分なエネルギーを提供することができるが、それは下の層に融合するのには十分なエネルギーではないかもしれない。伝導モード溶接は材料の層を通して球形状的に進むので、溶接は深さと同じ幅となる。例えば、５０μｍの深さのビードは少なくとも５０μｍの幅となるであろう。粉末層がその下の層と融合されることを確実にするために、最小の形体サイズは粉末層の深さの少なくとも１．５−２倍でなければならない。これは、粉末層を下の層に融合するために７５−１００μｍの幅のビードが使用されることを意味する。下の固形化した層に融合するのに必要なエネルギーを考慮に入れると、４００℃から銅の融点にする場合、粉末を溶かして融合するのに必要なエネルギーは３６ジュールから８６ジュールに増加する。実施形態においては、これはレーザー−空間フィルターの組み合わせだけでは達成可能ではないので、層温度を上昇させるか、又は別の熱源が加えられる。第２のレーザーを加えることによって、好ましくは空間光変調器なしで、追加の熱が加えられてその温度を、粉末を溶かすこと無く、上昇させる。よって、この第２のレーザーは、粉末を予加熱して粉末層と造形物体の温度を環境温度以上に維持し、例えば粉末は予加熱されて、１００℃よりも高い温度、２００℃よりも高い温度温、３００℃よりも高い温度、４００℃よりも高い温度、約３００℃から約６００℃の温度、粉末の融点の３００℃以内の温度、粉末の融点の２００℃以内の温度、粉末の融点の１００℃以内の温度、粉末の融解温度までの及びそれを僅かに下回る温度、並びにより高い及びより低い温度に維持される。
【００６９】
本明細書で使用する場合、特に明記しない限り、空間光変調器、レーザー／空間光変調器、ＤＭＤシステム、レーザー−空間、及び同様な用語は、造形レーザービームのためにレーザーパターン及び画像を粉末層上に生成するための、マイクロミラー、マイクロ反射アッセンブリ、又はマイクロレベル若しくはサブマイクロレベルの解像度を有する類似の反射コンポーネントを使用した、同様な一般的なタイプのシステム又はサブシステム、並びに液晶及び他のタイプの結晶をベースとした空間光変調器を参照する。
【００７０】
第２のレーザー（例えば、上述の図２の第２のビーム経路）は、図６に示されるように、レーザー−空間光変調器が照射するエリアと同じエリアに照射される。図６には、金属粉末の層６００が示されている。予加熱レーザービームは、層６００のエリア６０５を加熱する予加熱レーザーパターン６０１を形成する。金属粉末の層６００上に造形レーザーパターン６０２、６０３が示されている。よって、エリア６０５内の材料は第２のレーザービーム、例えば予加熱レーザービームによって加熱され、レーザーパターン６０２、６０３内の加熱された材料は物体に融合される。上述の場合、粉末を溶かして融合するのに８６ジュールの加熱が必要とされる。もし５００ワットのレーザー−空間フィルターの組み合わせが３９ジュールをパターンに提供すれば、第２のレーザーは残りの４７ジュールを提供する。移動、コート及び他の機能を果たすための時間をもたらすために、予加熱レーザーのパルス幅はデューティーサイクルの１０％、すなわち６６ミリ秒とすることができる。これは、７５０ワットの予加熱レーザー出力に相当する。第２のレーザーが粉末層領域を融点の２００℃以内にまで加熱するとすれば、レーザー−空間光変調器がその部品に照射されたときに、パターン化されたエリアの粉末層及びその下層の温度は銅の融点にまで上昇する。図７はシステムのタイミングを示す。この手順は、５０μｍの粉末層の融解及び完全に詰まった下の層への完全な融合をもたらす。
【００７１】
一実施形態では、レーザー−空間光変調器の組は、繰り返し数１．５Ｈｚで動作する６，０００ワットの青色レーザーをもとにしている。予加熱レーザーは７５０ワットのレーザーである。予加熱レーザーは、上述のものと同じ持続時間（６６ミリ秒）の間動作し、銅の場合には粉末層の温度を溶かされる材料（例えば粉末層内の粉末）の融解温度の２００℃以内にまで増加させる。パイロメーター又はＦＬＩＲカメラが、この予加熱プロセスの間、粉末層の温度を監視し、レーザー−空間光変調器の画像が粉末層の領域を照射されて粉末を下の層に融合させるまで、レーザー出力を制御してその温度を維持する。６，０００ワットのレーザーは６．５ミリ秒の間オンとなり、７５０ワットのレーザーは６６ミリ秒以上の間オンとすることができる。この実施形態では、チャンバー温度は室温または室温に近い温度であるとされる。
【００７２】
一実施形態においては、レーザー−空間光変調器の組は、最大繰り返し数１．５Ｈｚで動作する５００ワットの青色レーザーをもとにしている。予加熱は１，０００ワットのレーザーである。予加熱レーザーは、上述のものと同じ約７８ミリ秒の持続時間の間動作する。しかしながら、高出力レベルの予加熱レーザーは、パターンの再配置のための追加時間を与えるように、２５ミリ秒だけ動作するこの実施形態では、チャンバー温度は室温または室温に近い温度であったとされる。
【００７３】
開示のレーザープリントエンジンは、気密筐体内で図１の実施形態のような精密ガントリーシステム上に搭載されている。気密筐体は不活性ガスで満たされており、この不活性ガスはプロセスが進行しているときにヒュームを取り除くために連続的に循環する。不活性ガスの環境は、部品に多孔性をもたらす造形中の表面酸化が無いようにする。ガントリーシステムによってヘッドがｘ−ｙ方向に位置決めされるようにし、新しい層がそれぞれプリントされるときに部品を下方に動かすためにエレベータが使用される。原則として、２−Ｄエネルギーパターンのステップアンドリピートを行なうこの手法は、採用されたガントリーシステムの精度の制約内で、如何なる大きさの体積、例えば、０．５ｍ３、１ｍ３、２ｍ３、３ｍ３、１０ｍ３、１ｍ３から１０ｍ３、及びより大きな値及びより小さな値の体積に適用可能である。
【００７４】
造形は、コンピュータ支援設計ファイル、典型的にはステップファイル（step file）で開始される。ソフトウェアは、最初に、解像度及び形状に応じて、物体を５０μｍの又はそれより大きい若しくは小さい薄片にスライスして分割する。スライス後に現れる表面は、次いで、空間光変調器と同じ画像サイズのセクションに分けられる。そして、パターンのどの部分が最初に露光されるか、どれくらいの露光レベルとすべきか、及び必要であればどの支持構造が使用されるべきかについて、造形計画がソフトウェアによって決定される。ソフトウェアはまた、予加熱レーザーおよびレーザー−空間変調システムのための最適なオン時間を決定する。予加熱時間は、ベース材料の密度、ベース材料の融解温度、融合される層の下の層の材料の量、及び融合される層の下の層の材料の密度に応じて変わる。部品のサイズ、部品の複雑さ、及び部品の向きに基づいて、層、及び造形チャンバーの壁又は天井を最適な温度に維持して造形環境への不適切な速度での熱損失を防止するために、輻射ヒーターを使用しても良い。このプロセス順の概要が図８に記載されている。
【００７５】
以下の例は、本発明のレーザーシステム及びコンポーネントのさまざまな実施形態を説明するために提供されている。これらの例は、説明目的のためのものであり、予言的でありえ、また限定として見なされるべきでは無く、本発明の範囲を限定しない。
【００７６】
例１
【００７７】
積層造形システムの実施形態は、概して図１に示されている。システム１００は、振動絶縁プラットホームの上に搭載されたｘ−ｙガントリーシステム１０１からなる。ガントリーシステムのｘ軸１０２は、一対の空気ベアリングと、１ミクロン以下の絶対位置への位置決めが可能なリニアモータとからなる。ガントリーシステムのｘ軸のためのモータはまた、粉末を広げるために粉末拡散器１０５を二方向に移動させる。粉末は、粉末で満たされた第２のエレベータセクションか又は粉末を粉末層の上に落とす粉末ホッパーによって、供給される。粉末ホッパーは、この図には示されていないが、ガントリーシステムの前方部分と後方部分に取り付けられている。システムの全体が、この図には示されていない気密筐体の中に囲われる。ＤＭＤレーザープリントヘッド１０３は、ガントリーシステムのｙ軸上に搭載されて、層を横断することができ、また軸に沿ってどの位置にでも１ミクロン以内で繰り返し位置決めすることができる。粉末層１０４は、層を各プロセスステップの後に最小１０μｍで下げることができる高精度エレベータの上にある。これにより、粉末拡散器１０５が前に融合された画像の上に粉末の均一な層を配置することが可能となる。粉末層を平らにして圧縮するために、移動方向とは反対方向に回転するローラー１０６が使用される。粉末層は、上昇した温度を造形サイクルで使用することができるようにヒーター内で造形される。層流エアーナイフ１０９がＤＭＤレーザープリントヘッドの下に直接配置されていて、屑や煙がＤＭＤ画像及び補助予加熱レーザーが出射される窓に至るのを防止する。ＤＭＤ画像１０７はスライスソフトウェアに従って粉末層の上に位置決めされ、パターンは、部品の隣接する部分を完成するために画像が画像の幅をまたいで移動するときに変化する。部品内の熱蓄積の管理や部品内の反りや応力を最小にするということの要望に応じて、画像はより大きく離れて移動しても良い。
【００７８】
例２
【００７９】
ＤＭＤプリントヘッドの実施形態は、概して図２に示されている。変調される主レーザーの出力は、業界標準のＱＢＨファイバーケーブル２０１を通してプリントヘッド２００に送られる。予加熱のために使用される第２のレーザーも、業界標準のＱＢＨファイバーケーブル２１２を通して送られる。これらのケーブルは、堅牢であり、動作中に外部環境に対する密封をもたらすように設計されている。両ケーブルは、保護シースの内側の４００μｍ又はそれより小さい直径のファイバーである。一対の４０ｍｍのコリメートレンズ２０５、２１０が各光ファイバーの出力をコリメートするために使用される。光ファイバーからのビームの形状や均一性に応じて、ホモジナイザー及びビーム整形光学部品がコリメート光学部品のすぐ後に挿入される。主レーザー光源（造形レーザー）と補助レーザー光源（予加熱レーザー）の両方が、ホモジナイザーを使用して、均一で、融合したプリントが均一であるのに十分な強度を提供する。反射ミラー２０６が、主レーザーの光ファイバー２０１からのコリメートビームを、ＤＭＤの面法線から２４度の要求角度でＤＭＤ上に向けるために使用される。レーザーがオン状態のとき、ＤＭＤ２０２のミラーは、入射ビームに向かって傾いてビームをＤＭＤ表面に対して垂直に向け直す。レーザーがオフ状態のとき、ＤＭＤ２０２のミラーは、入射ビームから離れるように傾いて、入射ビームを入射ビームから離れＤＭＤの表面の垂直ベクトルから４８度に向け直す。画像内でオフ状態にあるビームエネルギーを捕らえなければならないので、ここにビームダンプ２０４が配置されている。ＤＭＤ２０２からのビームは、１００ｍｍのＦＬレンズで、レーザープリントヘッドの２００ｍｍ下のスポットに再結像される。これは１：１結像配列であるが、要求される部品のサイズや精度に応じて他の比を採用することもできる。補助レーザーの光ファイバー出力部２１２は、レンズ２０５によってコリメートされ、ビームホモジナイザーを通って所望の融合の均一性を実現するようにされる。補助ビームは、ビーム調整の後、ミラー２０７を使用して、ＤＭＤの画像と同じスポットに向けられるか又は再結像される。このシステムは、ＤＭＤのビームと同じ結像レンズを通過しない。しかしながら、２つのビーム、すなわちＤＭＤのビームと補助ビームの両方ともが、共通の窓２０９を通ってプリントヘッドから出射される。しかし、システムの形状に応じて、予加熱レーザーが出射される第２の窓を使用することもできる。最終的には、図６に示すように、ＤＭＤ画像２１０は粉末ビード上で補助レーザービームと重なる。
【００８０】
例３
【００８１】
本発明の実施形態は、同じ結像開口又は平行な結像開口内で複数のＤＭＤを使用することに関する。図９には、マルチＤＭＤレーザープリントシステム２００の概略図が示されている。このシステムは２つのレーザー造形サブシステム９４１、９４２を有している。サブシステム９４１は、レーザー光源９０１と、コリメータ／ホモジナイザー９０３と、ＤＭＤ９０５と、ミラー９０５ａと、レンズ９０７及びレンズ９０９を有する２：１画像サイズ縮小光学アセンブリと、ミラー９１１と、結像レンズ９２０とを有しており、これらはレーザービーム経路９１３に沿って配置されている。このようにして、粉末を融合するためのレーザービーム、例えば、造形レーザービームは、レーザービーム経路９１３に沿ってこれらのさまざまなコンポーネントを通って伝搬し、画像タイル９５０ａとして画像を提供する。画像タイル９５０ａ、９５０ｂ、９５０ｃ、９５０ｄが、多くのタイルを有するタイル状の画像を形成する。サブシステム９４２は、レーザー光源９０２と、コリメータ／ホモジナイザー９０４と、ＤＭＤ９０６と、ミラー９０６ａと、レンズ９０８及び９１０を有する２：１画像サイズ縮小光学アセンブリと、ミラー９１２と、結像レンズ９２０とを有し、これらはレーザービーム経路９１４に沿って配置されている。このようにして、粉末を融合するためのレーザービーム、例えば造形レーザービームは、レーザービーム経路９１４に沿ってこれらのさまざまなコンポーネントを通って伝搬し、画像タイル９５０ｂとして画像を提供する。
【００８２】
システム９４１、９４２と同様な構成の２つの追加のレーザー造形サブシステムがこのシステムでは使用されるかもしれないが、図には示されていない。これらの追加の２つのシステムは、画像タイル９５０ｃ、９５０ｄのための画像を提供するであろう。この実施形態では、タイル画像は好ましくは隣接している。
【００８３】
システム９４１、９４２と同様な構成の４つの追加のレーザー造形サブシステムがこのシステムでは使用されるかもしれないが、図には示されていない。これらの追加の４つのシステムは、９５０ａ、９５０ｂ、９５０ｃ、及び９５０ｄに隣接する画像タイルのための画像を紙面奥行き方向側に提供して、２−Ｄのタイル状画像を生成するであろう。
【００８４】
このシステムは、倒立像又は正立像の何れかを提供するレンズ構成を有することができる。
【００８５】
各ＤＭＤはそれ自身のレーザー光源を有し、各ＤＭＤの像空間がシアリングミラー（shearing mirror）を使用してタイル状とされ、単一のＤＭＤシステムで達成できるよりもずっと大きいエリアの上に連続的な像空間を生成することができる。各ＤＭＤ像空間の間にデッドスペースがあるが、これはシアリングミラーの適切な配置によって最小化することができる。像空間は、各シアリングミラーの傾きと位置を調整することによって、効果的に繋ぎ合わせることができる。図９には、２つのＤＭＤの像空間が一軸方向でタイル状とされ、粉末層表面上に大きな複合画像を作っていることが示されている。これは、各ＤＭＤ画像を縮小光学系を用いて圧縮し、各縮小画像を一緒に切り取り（shearing）、そして単一レンズを使用して画像を所望のサイズに再結像又は拡大し直すことによって、Ｎ×ＭのＤＭＤ像空間に拡張することができる。
【００８６】
例４
【００８７】
本発明の実施形態は、並行な造形能力をもたらすために異なる結像開口内で複数のＤＭＤを使用することに関する。図１０には、２つの平行な造形レーザービームを提供して粉末層上に別々の画像を造形するための第１のＤＭＤサブシステム１０４０及び第２のＤＭＤサブシステム１０４１を有するマルチＤＭＤシステム１０００が示されている。サブシステム１０４０は、レーザービーム経路１０１３に沿って配置されたＤＭＤ１００５を有する。サブシステム１０４０は画像１０５０ａを提供する。サブシステム１０４１は、レーザービーム経路１０１４に沿って配置されたＤＭＤ１００６を有する。サブシステム１０４１は画像１０５０ｂを提供する。
【００８８】
各ＤＭＤはそれ自身のレーザー光源を有し、各ＤＭＤの像空間は、粉末層の表面上でタイル状とされ、チェッカー盤パターンの画像と画像のないエリアとを生成する。造形計画は、単一のＤＭＤ像空間を使用して個別の部品を造形するか、又はそれぞれの個別のＤＭＤ像空間を使用して複数のセクションを並列に造形することによってより大きな部品を造形するようにできる。
【００８９】
粉末層上の指定可能な画像エリアを拡大するために、紙面奥行き方向に又は図示のシステムに隣接するように拡張する第２の、第３の、又は第４のシステムのセットを使用することができる。
【００９０】
このシステムは、倒立像又は正立像の何れかを提供するレンズ構成を有することができる。
【００９１】
例５
【００９２】
本発明の実施形態は、可視レーザービーム、特に３５０ｎｍから７００ｎｍの波長を有するレーザービームを、積層レーザー造形プロセス及び積層レーザー造形システムにおいて使用して、物品（例えば、構造体、装置、コンポーネント、部品、フィルム、立体形状物、など）を、出発粉末、ナノ粒子、粒子、ペレット、層、粉末層、噴霧粉末、液体、懸濁液、エマルジョン、並びにこれら及び３−Ｄプリンティング技術を含むレーザー積層造形技術において知られているか又は後に開発される他の出発材料の組み合わせ及び変形形態などの原材料から造形することに関連する。
【００９３】
例６
【００９４】
レーザー積層プロセスで原材料から物品を造形する実施形態においては、出発原材料に対して低い反射性、高い吸収性、及び好ましくはその両方を有する波長が使用される。特に、一実施形態においては、レーザービームの波長は、出発材料に基づいて、好ましくは約１０％以上、約４０％以上、約５０％以上、及び約６０％以上の吸収性、並びに１０％から８５％、１０％から５０％、及び約４０％から約５０％の範囲の吸収性を有するように予め決められる。特に、一実施形態においては、レーザービームの波長は、出発材料に基づいて、好ましくは約９７％以下、約６０％以下、及び約３０％以下、並びに７０％から２０％の範囲、８０％から３０％の範囲、及び約７５％から約２５％の範囲、の反射性を有するように予め決められる。実施形態においては、これらの高い吸収性と低い反射性の組み合わせがあり得る。システム及びプロセスの好ましい実施形態においては、約４００ｎｍから約５００ｎｍの波長を有するレーザービーム又はビームを使用して、金、銅、真ちゅう、銀、アルミニウム、ニッケル、これらの金属の合金、並びに他の金属、非金属、材料、及びこれらの合金や組み合わせや変形例から成る出発材料から、物品を造形する。
【００９５】
例７
【００９６】
一実施形態においては、金、銅、真ちゅう、ニッケル、ニッケルめっきをした銅、ステンレス鋼、並びに他の材料、金属、非金属、及び合金から物品を積層造形するために、青色レーザー、例えば約３８０ｎｍから約４９５ｎｍの波長を使用することが好ましい。青色レーザービームは、室温でこれらの材料によってよく吸収され、例えば約５０％を超える吸収性を有する。本発明の幾つかの利点のうちの一つは、レーザー操作中、例えば積層造形プロセス中に、レーザーエネルギーを材料によく結合させることができる青色レーザービームなどの予め選択された波長のレーザービームの能力である。レーザーエネルギーを物品に造形される材料によりよく結合させることにより、赤外レーザーで典型的に起きる暴走プロセスの可能性が大きく低減され、好ましくは排除される。レーザーエネルギーのよりよい結合によってより低い出力のレーザーを使用することが可能となり、これにより資本コストを節約することができ、又はマルチレーザーシステムをコスト効率の良いものとすることができる。よりよい結合はまた、より高い制御性、より高い耐性、よって造形物品のより高い再現性をもたらす。ＩＲレーザー及びＩＲレーザー積層造形の工程には見られないこれらの特徴は、とりわけ、電子部品、マイクロ機械システム、医療用部品、エンジン部品、及び電力貯蔵の分野の製品にとって重要である。
【００９７】
例８
【００９８】
一実施形態においては、ＣＷモードで動作する青色レーザーが使用される。ＣＷ動作は、レーザー出力を素早く変調して造形プロセスをフィードバックループで制御する能力で、抑制された表面粗さ、改善された多孔性、及び改善された電気的特性などの最適な機械的特性、並びに他の物理的及び美観的特性を備えた高い再現性を有するため、多くの積層造形用途において短パルスレーザーよりも好ましい。
【００９９】
例９
【０１００】
好ましくは、いくつかの実施形態においては、造形される物品の能動的監視が、物品の品質並びに積層造形プロセス及びシステムの効率を確認するために使用される。例えば、プリントされる部品の高い解像度の領域をレーザーが加工しているときに、表面の平均温度を監視するために温度カメラを使用し、またレーザー出力を低下又は増加させて溶接だまり及び部品の最終的な表面品質を改善するためにフィードバックループを使用することができる。同様に、焦点をぼかしてレーザービームを部品の低い解像度の大きな領域を通過させるときに、フィードバックループがより大きなレーザー出力を命令して平均温度を最適な加工温度に維持し、これにより部品をプリントする時間を大幅に低減させることができる。
【０１０１】
例１０
【０１０２】
当該システムとともに使用可能なスキャナー及び光学部品の例には、高速モータに搭載されたミラー、回転するポリゴンミラー、又は高速ガルバノメーターが含まれる。高速モータの軸に取り付けられたミラーは、ミラーが３６０度に亘って回転されるときに、スキャンビームを生成する。モータの速度が速いほど、スキャンが速くなる。この手法の唯一の課題は、ミラーの後側がレーザービーム入射窓のそばを通るときにミラーがビームをもはや反射しなくなるとすぐに、レーザーを止めなければならないことである。高速ミラーはｘ軸又はｙ軸のいずれかのスキャンに使用することができ、いずれの軸が選ばれても、他方の軸をスキャンするミラーは、最初の軸での１回の完全なスキャンが完了する時間に比例した遅い速度でスキャンしなければならない。高速ステッピングモータをこの軸で使用して、ミラーを離散的幅で動かすようにして、第１軸のスキャンが完了する間は静止させるようにするのが好ましい。同様に、多面ミラー又はポリゴンミラーは、ビームがミラーの各面を横断するとスキャンが開始位置にリセットされるので、高いスキャン速度を可能とする高速スキャンの機能を実行するために使用することができる。これらのタイプのミラーは、スーパーマーケットのスキャナーで商品が通過するときに商品のバーコードをスキャンするために現在使用されている。主軸は、共振タイプ（resonant type）のモータでありビームの高速移動を生み出す連続周波数で振動する高速ガルバノメーターのタイプのミラーでスキャンされる。ガルバノメーターミラーを精密に所定の位置に位置決めして、第１軸及び第２軸がガルバノメーター駆動のミラーとされたシステムを両方のミラーを同時に動かすことによって、加工層のどの位置でも即座に指定可能であるベクトルモードとすることが可能である。ビームが自由空間を通ってガントリータイプのシステムに取り付けられたミラーにまで送られて、２次元モード、ラスターモード、又はベクトルモードで非常に高速に移動する「フライング光学（flying optic）」タイプの設計において、移動ステージ上に搭載されたミラーを組み合わせることも実現可能である。
【０１０３】
例１１
【０１０４】
当該システムの実施形態は、物体を造形するためのスキャナーを含まず、また必要としない。
【０１０５】
例１２
【０１０６】
例１−１１のシステム及び方法は、造形レーザービームが以下の波長のうちから選択された波長を有する：青色波長領域、４００ｎｍ、約４４０ｎｍ、４５０ｎｍ、約４５０ｎｍ、４６０ｎｍ、約４６０ｎｍ、緑色波長領域、５１５ｎｍ、約５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、約５３２ｎｍ、及び６００ｎｍから７００ｎｍの赤色波長領域。また、造形レーザービームは、本明細書で記載した、例えば出力、出力密度、繰り返し数などのビーム特性のうちの一つ以上を有する。
【０１０７】
本発明の実施形態の主題であるか又はそれに関連する新規で革新的な、プロセス、材料、性能、他の長所、及び特性の根底にある理論を提供したり又はそれに取り組んだりする必要はないことに留意されたい。それにもかかわらず、本明細書には、この領域の技術をさらに進めるためにさまざまな理論が提供されている。本明細書で出された理論は、明示的に記載されていなければ、請求項に記載された発明に与えられる保護範囲を全く限定も制限も狭めることもしない。これらの理論は、本発明を利用するために必要とされず又は実行されないかもしれない。本発明は、本発明の方法、物品、材料、装置、及びシステムの実施形態の機能的特徴を説明するために新規でこれまで知られていない理論を導いており、後に開発されるそのような理論は本発明に与えられる保護範囲を制限しないことを理解されたい。
【０１０８】
本明細書の表題の使用は、明確性を目的とするためであり、どのようなかたちでも限定していないことを理解されたい。よって、表題以下に記載されたプロセス及び開示はさまざまな例を含む本明細書の全体の文脈で読まれるべきである。本明細書の表題の使用は、本発明に与えられる保護範囲を限定するべきではない。
【０１０９】
本明細書に記載のシステム、機器、技術、方法、活動及び動作のさまざまな実施形態は、ここ記載されたものに加えてさまざまな他の活動や他の分野に対しても使用できる。とりわけ、本発明の実施形態は、特許公報第ＷＯ２０１４／１７９３４５、２０１６／００６７７８０、２０１６／００６７８２７、２０１６／０３２２７７７、２０１７／０３４３７２９、２０１７／０３４１１８０、及び２０１７／０３４１１４４の方法、装置、及びシステムとともに使用可能であり、それぞれの開示全体が参照によりここに含まれる。加えて、これらの実施形態は、例えば、将来開発されるかも知れない他の装置又は活動、及び部分的に本明細書の技術に基づいて改良される既存の装置又は活動に使用し得る。また、本明細書に記載された様々な実施形態は、相互に異なる様々な組み合わせで使用し得る。よって、例えば、本明細書の様々な実施形態に提供されている構成は、相互に使用し得る。例えば、Ａ、Ａ’及びＢを有する実施形態のコンポーネントとＡ”、Ｃ及びＤを有する実施形態のコンポーネントは、本明細書の教示に従って、様々な組み合わせ、例えば、Ａ、Ｃ、Ｄ、及びＡや、Ａ”Ｃ及びＤなど、とすることができる。よって、本発明に与えられる保護範囲は、特定の実施形態、例、又は特定の図の実施形態に記載された、特定の実施形態、構成、又は配置に限定されるべきではない。
【０１１０】
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書で具体的に開示されたもの以外の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、あらゆる点で、例示的であり、限定的ではないと考えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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