(57)【要約】  複数ビーム付加的製造のためのシステム及び方法は、光（例えばレーザー光）の複数ビームを使用して、選択領域内の粉体材料の層を、粉体材料が融合してボクセルを形成するまで露光し、ボクセルは３次元構造の構築層を形成する。複数ビームが、粉体領域を融合するために、光学ヘッドによって複数ビーム順次露光（例えば事前加熱、溶融及び制御冷却を有する）を提供する同じ領域に順次向けられるように、光が選択された光源から発生され、少なくとも１つの直線内の光学ヘッドに配置された出力端を有する光ファイバーのアレイ内に結合される。複数順次ビームは、複数の融合領域が各構築層を形成するように、様々な技術（例えば光学ヘッドを移動することによる）を用いて、様々な走査パターンに従って移動されうる。
2018524178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構築層によって形成された３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法であって、
光源のアレイと、前記光源のアレイにそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、前記光ファイバーの出力端を含む光学ヘッドと、を提供する段階であって、前記光ファイバー出力端が少なくとも１つの直線に配置された、提供する段階と、
粉体層のそれぞれを収容するために垂直に漸次移動する粉体床支持システム上に粉体材料の粉体層を送達する段階と、
前記３次元構造のボクセルに対応する融合領域を生成するために粉体領域を融合することによって、前記粉体材料の各粉体層に前記３次元構造の構築層を形成する段階と、を含み、
前記各粉体層内の前記粉体材料の前記融合領域が、一体となって前記３次元構造の前記各構築層のそれぞれを形成し、
前記各構築層を形成する段階が、各粉体層内で融合されることとなる粉体領域に、変動する光強度で複数ビーム順次露光を行う段階を含み、
前記複数ビーム順次露光のそれぞれを行う段階が、前記光源のアレイ内の光源から光を発生させる段階と、光ビームが前記光ファイバー出力端から放出され、前記粉体領域を融合するために前記粉体領域に順次向けられるように、前記粉体領域にわたって前記光ファイバー出力端の直線を移動させる段階と、を含む、複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項２】
変動する光強度の前記複数ビーム順次露光が、事前加熱を提供するために、前記直線の開始部分において前記光ファイバー出力端の少なくとも１つから放出される少なくとも１つの事前加熱ビームと、溶融を提供するために、前記直線の中間部において前記光ファイバー出力端の少なくとも１つから放出される少なくとも１つの溶融ビームと、制御された冷却を提供するために、前記直線の最終部分において前記光ファイバー出力端の少なくとも１つから放出される少なくとも１つの冷却ビームと、によって形成される、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項３】
前記光源がレーザーダイオードを含む、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項４】
前記レーザーダイオードの出力が変動する光強度を提供するために１０Ｗから６０Ｗの範囲である、請求項３に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項５】
前記光源がファイバーレーザーを含む、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項６】
前記光ファイバー出力端が前記光学ヘッド内で１次元アレイに配置された、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項７】
前記光ファイバー出力端が前記光学ヘッド内で２次元アレイに配置された、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項８】
前記光ファイバー出力端が前記光学ヘッド内で２次元千鳥配置アレイに配置された、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項９】
融合される各粉体領域上で前記複数ビーム順次露光を行う段階が、前記ビームのラスター走査を含む、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１０】
前記粉体材料が金属粉体を含む、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１１】
前記金属粉体がニッケル系スーパーアロイ粉体を含む、請求項１０に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１２】
前記金属粉体が、オーステナイトニッケルクロム系スーパーアロイ粉体を含む、請求項１０に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１３】
前記３次元構造の多孔性が０．０５体積％未満である、請求項１０に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１４】
前記光学ヘッドが、１０から５００μｍの大きさ及び０から６００μｍの間隔を有するビームスポットを生成するように構成された、請求項１に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１５】
複数の構築層によって形成された３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法であって、
粉体材料の粉体層を粉体床支持システムに送達する段階と、
一体として構築層を形成する融合領域を生成するために、粉体領域を融合することによって粉体材料の粉体層内に前記３次元構造の構築層を形成する段階であって、前記構築層を形成する段階が、各粉体層内で融合されることとなる粉体領域上で複数ビーム順次露光を実行する段階を含み、前記複数ビーム順次露光のそれぞれを実行する段階が、前記粉体領域を融合するために前記粉体領域に変動する強度で光ビームを順次向ける段階を含む、構築層を形成する段階と、
粉体層を送達する段階と、前記３次元構造の前記各構築層を形成するために前記粉体層内に構築層を形成する段階とを繰り返す段階と、を含み、
前記融合領域のそれぞれが前記３次元構造のボクセルに対応する、複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１６】
前記複数ビーム順次露光のそれぞれを実行する段階が、光ビームを提供するためにレーザーダイオードから光を発生させる段階を含む、請求項１５に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１７】
前記光ビームがビームスポットの１次元アレイを形成する、請求項１５に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１８】
前記光ビームがビームスポットの２次元アレイを形成する、請求項１５に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項１９】
前記光ビームが１０から５００μｍの範囲の大きさ及び０から６００μｍの範囲の間隔を有するビームスポットを生成する、請求項１５に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項２０】
３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法であって、
光源のアレイと、前記光源のアレイにそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、前記光ファイバーの出力端を含む光学ヘッドと、を提供する段階であって、前記光ファイバー出力端が少なくとも１つの直線に配置された、提供する段階と、
前記３次元構造の各構築層のための構築命令を受信する段階であって、前記構築命令が少なくとも、前記光学ヘッドの位置を定義する光学ヘッド位置決めデータと、選択された光源並びに前記選択された光源についての出力及び露光時間を特定する光源データと、を含む、構築命令を受信する段階と、
前記光学ヘッド位置決めデータに従って、前記光学ヘッドを粉体材料の粉体層に対して移動させ、前記光源データに従って選択された光源を作動させ、前記各粉体層内の選択された粉体領域上に、前記選択された粉体領域内の前記粉体材料を融合させるために変動する光強度で複数ビーム順次露光を提供することによって、前記３次元構造の各構築層を形成する段階と、を含み、
前記各層内の前記粉体材料の融合領域が、前記３次元構造の前記構築層を形成する、複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項２１】
前記光源データが、前記変動する光強度を生成するために、前記選択された光源の出力を定義するデータを含む、請求項２０に記載の複数ビーム付加的製造のための方法。
【請求項２２】
粉体床及び、前記粉体床内に形成された３次元構造を支持し、粉体材料の複数の粉体層を収容するために前記粉体床を垂直に漸次移動させるための粉体床支持システムと、
前記粉体床を形成するために前記各粉体層を送達するための粉体送達システムと、
光を発生させるための光源のアレイと、
前記光源にそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、
前記光ファイバーの出力端を含む複数ビーム光学ヘッドと、
前記粉体床に送達された前記各粉体層内の前記３次元構造の構築層を形成するために、前記光源のアレイと、前記粉体床支持システムと、前記粉体送達システムとを協働して制御するための制御システムと、を含み、
光ビームが前記光ファイバー出力端から出力され、粉体領域を融合させて前記３次元構造のボクセルを形成する融合領域を提供するために、前記粉体領域に順次向けられるように、前記制御システムが、前記光源のアレイ内の選択された光源から光を発生させるために、前記各光源を選択的に制御し、光ファイバー出力端の直線を融合されることとなる粉体領域にわたって順次移動させ、前記粉体領域上に変動する強度で複数ビーム順次露光を提供するように構成される、複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２３】
前記光ビームを前記粉体層にわたって走査するために、前記粉体床支持システム上の前記粉体層に対して前記光学ヘッドを移動するための光学ヘッド移動ステージをさらに含む、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２４】
前記光ファイバー出力端が１次元アレイに配置された、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２５】
前記光ファイバー出力端が２次元アレイに配置された、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２６】
前記制御システムが、前記光源のアレイ内の選択された光源の出力及び露光時間を制御するように構成された、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２７】
前記制御システムが、前記粉体層から前記３次元構造の各構築層を形成するための命令を定義する構築命令ファイルに応答する、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２８】
前記構築命令ファイルが少なくとも、前記光学ヘッドの位置を定義する光学ヘッド位置決めデータと、選択された光源並びに前記選択された光源についての出力及び露光時間を特定する光源データと、を含む、請求項２７に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項２９】
前記構築命令ファイルがさらに、各粉体層の堆積を制御するための粉体層制御データを含む、請求項２８に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【請求項３０】
前記各光源がダイオードレーザーである、請求項２２に記載の複数ビーム付加的製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年６月１０日に出願された米国特許出願第６２／１７３５４１号の利益を主張し、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示は、付加的製造に関し、より具体的には複数ビーム付加的製造に関する。
【背景技術】
【０００３】
付加的製造（３次元印刷としても知られる）技術は、ほとんどあらゆる形状の３次元構造を製造するために使用されている。付加的プロセスを使用すると、材料の層が連続的に堆積されて、構造の３Ｄモデルを定義するデータに基づいて構造を形成する。粉体床融合（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｂｅｄ  Ｆｕｓｉｏｎ：ＰＢＦ）と呼ばれるいくつかの方法では、構造を形成する連続する層が、粉体材料の層を連続的に堆積し、光ビーム（例えばレーザー光）を用いて各層の選択された領域における粉体材料を結合または融合することによって製造される。これらの方法の例には、レーザーが選択された領域内の粉体粒子を焼結して構造の各構築層を形成する選択的レーザー焼結（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＬＳ）や、レーザーが選択された領域内の粉体を溶融し、溶融された材料が硬化して構造の各構築層を形成する選択的レーザー溶融（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｌｔｉｎｇ：ＳＬＭ）が含まれる。
【０００４】
そのようなレーザー付加的製造（Ｌａｓｅｒ  Ａｄｄｉｔｉｖｅ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＬＡＭ）技術は成功しているが、選択された領域へのレーザーの移動は、構築速度及び製造速度を低下させることが多い。複数ビームが、速度を向上する取り組みにおいて使用されているが、粉体層にわたって複数ビームを走査することは、各構築層の溶融材料内に応力を発生させることにつながりうる。例えば熱エネルギーは部分的な熱応力を発生させ、これは構築層が形成されるにつれて３次元構造を変形させうる。そのため、ＬＡＭ技術は、スーパーアロイなどの特定の材料で使用される場合には、熱応力が亀裂を引き起こしうるため、成功していない。また、ＬＡＭ技術は、より大きな粒子の大きさを有する粉体材料で使用される場合には、レーザーの出力が過剰な熱応力を発生させずにより大きな粒子を溶融及び融合させるのに十分でないことがありうるため、成功していない。
【０００５】
さらに、構築速度をより速くすると、一般には粉体床により高速に（すなわちより高い出力で）エネルギーを導入する必要がある。ＬＡＭシステムの出力を増大することは、光学要素をより大きくしなければならず、高出力に耐えるために冷却を増大させなければならないため、困難である。そのようなシステムにおける走査ミラーは、大きさを増大させると反応性が悪くなり、走査速度を低下させ、構築速度を低下させる。ＳＬＭシステムで複数ビームを使用する試みは、複数ビームで同じ領域を走査することに伴う困難性のために成功していない。
【０００６】
従って、より速い構築速度を可能にしつつ、融合材料内の熱応力を低減する付加的製造システム及び方法の必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に合致する複数の構築層によって形成された３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法が提供される。本方法は、光源のアレイと、前記光源のアレイにそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、前記光ファイバーの出力端を含む光学ヘッドと、を提供する段階であって、前記光ファイバー出力端が少なくとも１つの直線に配置された、提供する段階と、粉体層のそれぞれを収容するために垂直に漸次移動する粉体床支持システム上に粉体材料の粉体層を送達する段階と、前記３次元構造のボクセルに対応する融合領域を生成するために粉体領域を融合することによって、前記粉体材料の各粉体層に前記３次元構造の構築層を形成する段階と、を含み、前記各粉体層内の前記粉体材料の前記融合領域が、一体となって前記３次元構造の前記各構築層のそれぞれを形成し、前記各構築層を形成する段階が、各粉体層内で融合されることとなる粉体領域に、変動する光強度で複数ビーム順次露光を行う段階を含み、前記複数ビーム順次露光のそれぞれを行う段階が、前記光源のアレイ内の光源から光を発生させる段階と、光ビームが前記光ファイバー出力端から放出され、前記粉体領域を融合するために前記粉体領域に順次向けられるように、前記粉体領域にわたって前記光ファイバー出力端の直線を移動させる段階と、を含む。
【０００８】
本開示の別の実施形態と合致する、複数の構築層によって形成された３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法が提供される。本方法は、粉体材料の粉体層を粉体床支持システムに送達する段階と、一体として構築層を形成する融合領域を生成するために、粉体領域を融合することによって粉体材料の粉体層内に前記３次元構造の構築層を形成する段階であって、前記構築層を形成する段階が、各粉体層内で融合されることとなる粉体領域上で複数ビーム順次露光を実行する段階を含み、前記複数ビーム順次露光のそれぞれを実行する段階が、前記粉体領域を融合するために前記粉体領域に変動する強度で光ビームを順次向ける段階を含む、構築層を形成する段階と、粉体層を送達する段階と、前記３次元構造の前記各構築層を形成するために前記粉体層内に構築層を形成する段階とを繰り返す段階と、を含み、前記融合領域のそれぞれが前記３次元構造のボクセルに対応する。
【０００９】
さらなる実施形態と合致する、３次元構造の複数ビーム付加的製造のための方法が提供される。本方法は、光源のアレイと、前記光源のアレイにそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、前記光ファイバーの出力端を含む光学ヘッドと、を提供する段階であって、前記光ファイバー出力端が少なくとも１つの直線に配置された、提供する段階と、前記３次元構造の各構築層のための構築命令を受信する段階であって、前記構築命令が少なくとも、前記光学ヘッドの位置を定義する光学ヘッド位置決めデータと、選択された光源並びに前記選択された光源についての出力及び露光時間を特定する光源データと、を含む、構築命令を受信する段階と、前記光学ヘッド位置決めデータに従って、前記光学ヘッドを粉体材料の粉体層に対して移動させ、前記光源データに従って選択された光源を作動させ、前記各粉体層内の選択された粉体領域上に、前記選択された粉体領域内の前記粉体材料を融合させるために変動する光強度で複数ビーム順次露光を提供することによって、前記３次元構造の各構築層を形成する段階と、を含み、前記各層内の前記粉体材料の前記融合領域が、前記３次元構造の前記構築層を形成する。
【００１０】
さらに別の実施形態と合致する複数ビーム付加的製造システムは、粉体床及び、前記粉体床内に形成された３次元構造を支持し、粉体材料の複数の粉体層を収容するために前記粉体床を垂直に漸次移動させるための粉体床支持システムと、前記粉体床を形成するために前記各粉体層を送達するための粉体送達システムと、を含む。複数ビーム付加的製造システムはまた、光を発生させるための光源のアレイと、前記光源にそれぞれ結合された光ファイバーのアレイと、前記光ファイバーの出力端を含む複数ビーム光学ヘッドと、を含む。複数ビーム付加的製造システムはさらに、前記粉体床に送達された前記各粉体層内の前記３次元構造の構築層を形成するために、前記光源のアレイと、前記粉体床支持システムと、前記粉体送達システムとを協働して制御するための制御システムを含む。光ビームが前記光ファイバー出力端から出力され、前記粉体領域を融合させて前記３次元構造のボクセルを形成する融合領域を提供するために、前記粉体領域に順次向けられるように、前記制御システムが、前記光源のアレイ内の選択された光源から光を発生させるために、前記各光源を選択的に制御し、光ファイバー出力端の直線を融合されることとなる粉体領域にわたって順次移動させ、前記粉体領域上に変動する強度で複数ビーム順次露光を提供するように構成される。
【００１１】
これらの及び他の特徴並びに利点は、図面とともに以下の詳細な説明を読むことによって、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施形態と合致する、粉体材料の層から３次元構造を形成するために使用される複数ビーム付加的製造システムの概略図である。
【図２】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造システムにおける使用のための１次元複数ビーム光学ヘッドの概略図である。
【図２Ａ】本開示の別の実施形態と合致する、異なるビームスポットの大きさ及び間隔を提供するための、異なる位置における画像光学系を有する、図２に示される１次元複数ビーム光学ヘッドの概略図である。
【図３】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造システムにおける使用のための２次元複数ビーム光学ヘッドの概略図である。
【図４Ａ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム光学ヘッドで走査することによる、粉体床内への例示的な３次元構造の構築層の形成を示す。
【図４Ｂ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム光学ヘッドで走査することによる、粉体床内への例示的な３次元構造の構築層の形成を示す。
【図４Ｃ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム光学ヘッドで走査することによる、粉体床内への例示的な３次元構造の構築層の形成を示す。
【図４Ｄ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム光学ヘッドで走査することによる、粉体床内への例示的な３次元構造の構築層の形成を示す。
【図５Ａ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム分布露光から得られるビームスポット及び溶融ボールの概略図である。
【図５Ｂ】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム分布露光を重畳して得られるビームスポット及び溶融ボールの概略図である。
【図６】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造方法を使用した、ステンレス鋼及びコバルトクロムの粉体層にレーザービームをそれぞれ露光する露光時間の関数としての溶融ボールの直径のグラフである。
【図７】図７ＡからＥは、本開示の実施形態と合致する、１次元複数ビーム分布露光のための異なる走査パターンを示す。
【図７Ｆ】本開示の別の実施形態と合致する、交互配置走査直線によって形成される走査パターンを示す。
【図８Ａ】本開示の実施形態と合致する、２次元複数ビーム分布露光のための走査パターンを示す。
【図８Ｂ】本開示の実施形態と合致する、２次元複数ビーム分布露光のための走査パターンを示す。
【図９】本開示の実施形態と合致する、角度を有する１次元複数ビーム分布露光のための走査パターンを示す。
【図１０】本開示の実施形態と合致する、千鳥配置の２次元複数ビーム分布露光のための走査パターンを示す。
【図１１】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造を用いて形成された単一層固体構造の写真である。
【図１２】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造を用いて形成された単一層で成形された構造の写真である。
【図１３】本開示の実施形態と合致する、複数ビーム付加的製造を用いて形成された複数層で成形された構造の写真である。
【図１４】本開示の実施形態と合致する、構築層の異なる領域における異なる解像度を示す構築層の上面図である。
【図１５Ａ】本開示のさらなる実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムに結合された複数ビーム光学ヘッドの上面概略図である。
【図１５Ｂ】本開示のさらなる実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムに結合された複数ビーム光学ヘッドの上面概略図である。
【図１５Ｃ】本開示のさらなる実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムに結合された複数ビーム光学ヘッドの上面概略図である。
【図１６】本開示の別の実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムに結合された、角度を有する１次元複数ビーム光学ヘッドの上面概略図である。
【図１７】本開示の別の実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムに結合された千鳥配置の２次元複数ビーム光学ヘッドの上面概略図である。
【図１８】本開示のさらに別の実施形態と合致する、粉体層が送達されるごとに粉体層を露光するための粉体送達システムのホッパー間に結合された複数ビーム光学ヘッドの側面概略図である。
【図１９】本開示の別の実施形態と合致する、複数ビームを走査するためのポリゴンミラーを含む複数ビームレーザー付加的製造システムの概略図である。
【図２０】本開示の別の実施形態と合致する、複数ビームを走査するためのめっきスキャナーを含む複数ビームレーザー付加的製造システムの概略図である。
【図２１】本開示のさらに別の実施形態と合致する、粉体領域を照射し、事前加熱、溶融及び制御冷却を提供するために粉体領域にわたって移動される光ファイバー出力端の直線の概略図である。
【図２２】本開示のさらに別の実施形態と合致する、粉体領域を同時に照射し、事前加熱、溶融及び制御冷却を提供するために複数の粉体領域にわたって移動される光ファイバー出力端の複数の直線を含む２次元アレイの概略図である。
【図２３】粉体領域を同時に照射し、事前加熱、溶融及び制御冷却を提供するために、複数の粉体領域にわたって移動される光ファイバー出力端の複数の直線を含む２次元アレイのさらなる実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示と合致する複数ビーム付加的製造のためのシステム及び方法は、光（例えばレーザー光）の複数ビームを使用して、選択領域内の粉体材料の層を、粉体材料が融合してボクセルを形成するまで露光し、ボクセルは３次元構造の構築層を形成する。光は粉体領域を融合するために、複数ビームが光学ヘッドによって複数ビーム順次露光（例えば事前加熱、溶融及び制御冷却を有する）を提供する同じ領域に光学ヘッドによって順次向けられるように、光は選択された光源から発生され、光学ヘッド内で少なくとも１つの直線に配置された出力端を有する光ファイバーのアレイに結合されうる。複数順次ビームは、複数の融合領域が各構築層を形成するように、様々な技術（例えば光学ヘッドを移動することによる）を用いて、様々な走査パターンに従って移動されうる。
【００１４】
融合されることとなる粉体領域上に、可変強度の複数ビーム順次露光を提供することによって、凝固速度が制御されて、多孔性が低減され、残留応力は低減されることとなりうる。別の実施形態において、光ファイバー出力端の２次元アレイは、光ファイバー出力端の複数の直線が異なる位置において複数の粉体領域に複数ビーム順次露光を提供するように移動されうる。そのため、ビームは各複数ビーム露光によって形成された融合領域を分離するのに十分間隔を開けられた複数ビーム順次露光で分布露光パターンを形成する分布複数ビーム順次露光を提供しうる。分布複数ビーム順次露光を使用することによって、及び特定の走査方策を使用することによって、複数ビーム付加的製造システム及び方法は、構築層にもたらされる応力を低減しつつ構築速度を向上させうる。
【００１５】
本明細書で説明される実施形態と合致する複数ビーム付加的製造システムは、幅広い範囲の３次元印刷または高速試作用途のための、用途に依存する様々な材料からなる３次元構造を形成するために使用されうる。粉体材料は、限定されることなく、金属、合金及びスーパーアロイを含みうる。より具体的には、粉体材料は、限定されることなく、粉体化されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、ニッケルチタンまたはニチノール、ニッケル系スーパーアロイ（例えばインコネルとして知られるオーステナイトニッケルクロム系スーパーアロイ）、アルミニウム、ステンレス鋼及びコバルトクロムを含みうる。例えばステンレス鋼３１６Ｌ及びコバルトクロムはともに、良好な耐腐食性及び高い強度を提供する。ステンレス鋼は、例えば、その殺菌性並びに疲労及び衝撃に対する耐性のために、食品処理または医療用途について使用されうる。コバルトクロムは、例えば、その高い耐損耗性及び高い強度を有する小さな形状を形成する能力のために、医療用インプラントについて使用されうる。粉体材料はまた、粉体床融合付加的製造における使用として知られているその他任意の粉体材料を含みうる。
【００１６】
複数レーザー、特にファイバーレーザーを使用する際により高い出力が利用可能であるため、粉体の粒子の大きさは、本明細書で説明される複数ビーム付加的製造システム及び方法を使用する場合には問題ではない場合がありうる。複数ビーム付加的製造システム及び方法は、５μｍよりも小さな大きさの粒子及び３０μｍよりも大きな大きさの粒子を含む、非対称な粒子の大きさを有する粉体で使用されうる。複数ビーム付加的製造システム及び方法は、例えば５０μｍよりも大きな粒子の大きさを有する粉体でも使用されうる。
【００１７】
本明細書で使用されるように、「露光」との用語は、所定の時間の光の露出を指し、「複数ビーム分布露光」との用語は、ビームが実質的に同時に異なる位置に間隔をおいて露光するように複数ビームを用いた露光を指し、「複数ビーム順次露光」との用語は、同じ位置に複数ビームを使用した一連の露光を指す。本明細書で使用されるように、「粉体材料」との用語は、粉体床融合付加的製造に使用するのに適した粒子の形態の材料を指す。本明細書で使用されるように、「融合」との用語は、溶融及び／または焼結の結果としての単一の構造として、粉体材料の粒子を１つに結合することを指す。本明細書で使用されるように、「溶融プール」及び「溶融ボール」との用語は、光ビームへの露光によって形成された溶融された粉体材料の三次元的領域を指すために、区別せずに使用される。「溶融プール」または「溶融ボール」は、一般に球状または回転楕円体形状を有しうるが、いかなる特定の形状にも限定される必要はない。本明細書で使用されるように、「融合領域」は、光ビームの露光の結果として融合され、「溶融プール」または「溶融ボール」を形成した粉体材料の領域であり、「分布融合領域」は、分離され、複数ビーム分布露光によって一般に同時に形成される「融合領域」を指す。本明細書で使用されるように、「ボクセル」は、３次元構造における３次元空間のユニットである。「ボクセル」は、「溶融プール」、「溶融ボール」、または「融合領域」に対応しうるが、必ずしも溶融プール、溶融ボールまたは融合領域と同じ大きさ及び形状ではない。
【００１８】
本明細書で説明される例示的な実施形態は、主として金属粉体を使用する粉体付加的製造について使用されるが、本明細書で説明される概念は、他の材料およびレーザーまたは光を使用する他の種類の付加的製造でも使用されうる。他の材料は、例えば、樹脂、プラスチック、ポリマー及びセラミックを含みうる。
【００１９】
図１を参照すると、本開示の実施形態と合致する複数ビーム付加的製造システム１００が示され、より詳細に説明される。複数ビーム付加的製造システム１００は、粉体材料１０４の連続層によって形成された粉体床１０２を支持するための粉体床支持システム１１０及び、粉体床１０２へ粉体材料１０４の層を送達するための粉体送達システム１２０を含む。３次元構造の構築層は、粉体床１０２の各粉体層内に形成される。
【００２０】
複数ビーム付加的製造システム１００はまた、光ファイバー１３２のアレイに結合された光源１３０のアレイ及び、光ファイバー１３２の出力端を、複数の光ビーム１３１を粉体床１０２の露光層を含む処理表面１０６へ向けるように構成する光学ヘッド１４０を含む。粉体床１０２上の露光粉体層内に構築層を形成する場合、１つまたは複数の光ビーム１３１による露光が、露光された粉体材料を溶融し、これによって粉体材料は構築層のボクセルに対応する融合領域に融合する。そのため、複数ビームで異なる位置を複数ビーム露光すると、同時に構築層の複数のボクセルを形成しうる。光ビーム１３１はまた、事前加熱及び／またはアニーリングなどの粉体材料の溶融及び融合を容易にするためのその他の動作を実行するためにも使用されうる。
【００２１】
図示された実施形態において、光学ヘッド移動システム１４２は、光ビーム１３１が構築層を形成するボクセルを形成するために粉体床１０２上の異なる位置に向けられうるように、光学ヘッド１４０を粉体床１０２に対して移動させる。光学ヘッド移動システム１４２は、約１から２ｍ／ｓの範囲の速度で光学ヘッド１４０を移動させることが可能でありうるが、より遅い速度及びより速い速度も可能である。制御システム１５０は、粉体床支持システム１１０、粉体送達システム１２０、光源１３０、及び光学ヘッド移動システム１４２を協調させて制御し、３次元構造の各構築層を形成する。具体的には、制御システム１５０は、光学ヘッド１４０を、走査パターン１０（例えばドットマトリックスプリンターと類似の）に従って粉体層にわたって走査し、光ビーム１３１による露光が３次元構造の構築層を形成する個別のボクセルとなる溶融プール及び融合領域を選択的に生成するように、選択的に光源１３０を作動させうる。光学ヘッド１４０はまた、光学ヘッド移動システム１４２に対して回転されうる。
【００２２】
粉体床支持システム１１０は、粉体材料１０４の新しい層のそれぞれを収容するために粉体床１０２を（例えば矢印２の方向に）下げ、それによって粉体床１０２及びその中に形成される３次元構造を覆う構築エンベロープ１１２を画定する。粉体床支持システム１１０は、例えば、ピストン駆動支持プラットフォーム（図示されない）を含みうる。粉体床支持システム１１０は、新しい粉体層のそれぞれの所望の厚さに対応する量だけ漸次粉体床１０２を下げる。構築エンベロープ１１２は、直方体形状を有して示されているが、円筒形状も有しうる。１つの例において、粉体床支持システム１１０は、最大構築直径１００ｍｍ及び高さ７０ｍｍ、各粉体層について２５μｍの解像度を有する円筒型構築エンベロープを画定する。
【００２３】
粉体送達システム１２０は、ローラーまたはワイパーなどの、粉体材料１０４の層のそれぞれを粉体床１０２上に広げるための粉体布設機１２２を含む。粉体送達システム１２０は、例えば、粉体布設機１２２と接するように粉体材料を上方に移動する粉体送達ピストン（図示されない）を含みうる。他の実施形態において、粉体送達システム１２０は、粉体材料を粉体床１０２の上方から送達する１つまたは複数のホッパーまたは類似のデバイスを含みうる。
【００２４】
粉体床１０２及び処理表面１０６は、処理チャンバー１６０内に収容されうる。処理チャンバー１６０は、光ビーム１３１をチャンバー１６０内に粉体床１０２まで通過させることを可能にする処理ウィンドウ（図示されない）を有する気密チャンバーでありうる。処理チャンバー１６０はまた、粉体材料の溶融及び融合を行う際に酸化効果を低減するために大気を制御されうる。真空システム１６２が、処理チャンバー１６０から酸素を除去するために使用されうる。ガス供給部１６４はアルゴンなどの不活性ガスを処理チャンバー１６０に供給して酸素を置き換えうる。
【００２５】
複数ビーム付加的製造システム１００はさらに、各構築層について処理中の計測を提供するための光学コヒーレンストモグラフィー（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｙ：ＯＣＴ）システム１６６を含みうる。ＯＣＴシステム１６６は、１つまたは複数の露光の位置において処理平面１０６を画像取得し、任意の溶融プールについての大きさ及び形状の情報を得るための既知のＯＣＴ技術を使用しうる。ＯＣＴは、直線上の単一点干渉深さ決定でありうる。
【００２６】
光源１３０のアレイは、高出力複数モードファイバー結合ダイオードレーザーなどのダイオードレーザーのアレイを含みうる。そのようなダイオードレーザーの一例は、ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社が販売するＰＬＤ３３シリーズであり、これは１０５から１１０μｍのアパーチャ、１２５μｍのファイバークラッディング直径及び２５０μｍのファイバーバッファ直径を有する結合光ファイバーで、９７４ｎｍの波長範囲（すなわち９５８から９８０ｎｍ）において最大３０Ｗの出力が可能である。その他の出力（例えば１０、６０または１００Ｗ）及び／またはその他の波長を有するその他のダイオードレーザーも使用されうる。異なる出力及び／または波長のダイオードレーザーも、同じアレイ内で使用されうる。
【００２７】
ダイオードレーザーの出力は、例えばダイオードレーザーの駆動電流を変化させることによって変更されうる。これは、各露光の前に、変更可能な出力送達に影響を与え、または露光の際に、パルス成形に影響を与えてなされうる。各露光によって送達されるエネルギーは、例えば出力、パルス持続時間、パルス形状、及び集束またはビームスポットの大きさを変化させることによって変更されうる。そのため、複数ビーム付加的製造システム１００は、出力密度の大きさについて変更可能でありうる。
【００２８】
他の実施形態において、光源１３０のアレイは、約５３２ｎｍの波長を有する緑色ファイバーレーザーなどのファイバーレーザーを含みうる。緑色ファイバーレーザーは、１５０ｋＷより大きく最大４００ｋＷであるピーク出力を有するパルス（例えばナノ秒）緑色ファイバーレーザー、最大５０Ｗの出力を有する連続波ファイバーレーザー、及び最大１００Ｗまたは最大５００Ｗの出力を有する準連続波（Ｑｕａｓｉ−Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：ＱＣＷ）ファイバーレーザーを含みうる。そのようなファイバーレーザーの例は、ＩＰＧ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社が販売するＧＬＲシリーズ単一モード単一周波数連続波緑色ファイバーレーザー及びＧＬＰＮシリーズ高出力単一モード準連続波緑色ファイバーレーザーを含む。ＩＲ波長（例えば１ミクロン、１．５ミクロン、及び２ミクロン）などのその他の波長のその他のファイバーレーザーも、複数ビーム付加的製造システム１００の光源１３０として使用されうる。ファイバーレーザーは、例えばより大きな粒子の大きさ及び／またはより高い融点を有する粉体材料を融合するために、より高い出力を提供することが可能でありうる。
【００２９】
これらは、複数ビーム付加的加工システム１００で使用されうる光源の単なるいくつかの例である。光源１３０のアレイは、使用される粉体材料を溶融及び融合するために十分な出力の光を送達可能である任意の種類の光源を含みうる。いくつかの例において、例えば、より高い出力の白色光源が十分でありうる。
【００３０】
他の実施形態において、光源１３０は、例えば粉体材料の溶融及び融合を容易にし、並びに／または３次元構造上に仕上げ表面を形成するために、その他の動作または処理を実行することが可能な１つまたは複数の光源を含みうる。異なる光源が、例えば、特定の処理動作に関して望ましい出力及び／またはビーム特性（例えばビーム品質及びスポットの大きさ）に応じて使用されうる。より低い強度のビーム及びより大きな集束スポットの大きさを発生させる１つまたは複数の複数モードレーザーが、例えば、より高い出力密度及びより高い解像度を必要としない、粉体の事前加熱及び／または融合領域のアニーリングなどの処理を実行するために使用されうる。より高い強度のビーム及びより小さな集束スポットの大きさを形成する単一モードレーザーは、粉体材料内にボクセルを形成する溶融などの、より高い出力密度及びより高い解像度を必要とするプロセスのために使用されうる。ピコ秒またはフェムト秒レーザーなどの、高いピークパワーを発生する１つまたは複数の超高速レーザーは、例えば３次元構造の表面上にレーザー導入周期表面構造（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＬＩＰＳＳ）を形成するために使用されうる。
【００３１】
複数ビーム付加的製造システム１００はそれぞれファイバー１３２のアレイに結合される光源１３０のアレイを含むものとして説明されているが、追加的に、または代替的に、システム１００は、複数ファイバーに結合された単一光源を含みうる。例えば、単一レーザーは、より高い出力及びより高い解像度を必要としない事前加熱、アニーリングまたはその他の処理の目的のために光の複数ビームを送達するために、複数ファイバーに分離され、結合されうる。他の実施形態において、複数ビーム付加的製造システム１００は、光源のその他のアレイまたはその他の単一の光源に結合された１つより多くの光学ヘッド１４０を含みうる。
【００３２】
例示的な実施形態は、複数ビームを処理表面１０６に向けるように光ファイバー１３２の出力端を構成するために光学ヘッド１４０を使用するが、その他の技術及びシステムが、複数ビームを処理表面１０６へ向けて本明細書で説明される方法で使用するために処理表面１０６上にビームスポットのアレイを形成するために使用されうる。光の複数ビームは、例えば、光源（例えばレーザーダイオード）を処理表面１０６の方へ向け、処理表面１０６へ向けられたその他の種類のレーザー処理ヘッド（例えばレーザー溶接ヘッドに類似）を使用し、及び／または光ビームを処理表面１０６の方へ向けるためにミラーもしくはその他の光学構成要素を使用することによって、処理表面１０６の方へ向けられうる。
【００３３】
光学ヘッド移動システム１４２は、矢印６、８で示されるように少なくともＸ及びＹ方向に光学ヘッドを移動するように構成されたＸ−Ｙ移動ステージを含みうる。光学ヘッド移動システム１４２の１つの例は、ＸＹＺステージを有するＡｅｒｏｔｅｃｈ（登録商標）ガントリーシステムなどのＣＮＣガントリーシステムを含む。光学ヘッド移動システム１４２の他の例は、処理チャンバー１６０の上方に光学ヘッド１４０を移動させるためのプリンター型キャリッジを含みうる。プリンター型キャリッジは、例えば、より詳細に後述するように、層が送達されるごとに光学ヘッド１４０が粉体層を走査し、露光するように、粉体送達システム１２０に結合されうる。その他の実施形態において、ビーム１３１は、以下により詳細に説明するように、ポリゴンミラーまたはめっきスキャナーなどの走査光学系を用いてビームを走査することによって、粉体床１０２に対して移動されうる。
【００３４】
制御システム１５０は、粉体床支持システム１１０、粉体送達システム１２０、光源１３０及び光学ヘッド移動システム１４２を協調して制御し、３次元構造の構築層を形成する。制御システム１５０は、例えば、粉体床支持システム１１０内のピストンを駆動するステッパーモーターを制御して、新しい構築層のそれぞれを形成した後に画定された増加量に従って粉体床１０２を下げることにより、粉体床支持システム１１０を制御しうる。そのため、制御システム１５０は、粉体層のそれぞれの厚さを制御し、そのため構築層のそれぞれの厚さを制御しうる。制御システム１５０は、例えば、粉体床１０２を下げた後に、粉体材料１０４の新しい層のそれぞれを粉体床１０２の上に広げるために、粉体布設機１２２を駆動する駆動モーターを制御することによって、粉体送達システム１２０を制御しうる。制御システム１５０は、画定された層の厚さまで粉体床１０２を下げ、粉体布設機１２２を駆動して粉体１０４の新しい層を粉体床１０２上に広げることによって、各構築層の後に粉体を自動的に再び層形成しうる。
【００３５】
制御システム１５０はまた、例えば、どの光源が作動されるかオンにされるかを制御することによって、出力を制御することによって、並びに放出される光の持続時間（及びすなわち露光時間）を制御することによって、光源１３０のアレイを制御しうる。制御システム１５０はさらに、例えば光学ヘッド移動システム１４２を駆動して、走査パターンまたは方策に従って光学ヘッド１４０を位置決めするＸ−Ｙモーターを制御することによって、光学ヘッド１４０の移動および配向を制御しうる。そのため、制御システム１５０は各露光で光を光源１３０から選択的に発生させ、光学ヘッド１４０から粉体床１０２上の異なる位置に選択的に向けうる。
【００３６】
制御システム１５０は、３次元構造の構築層のそれぞれを定義し、これらの構築層を形成するための粉体床支持システム１１０、粉体送達システム１２０、光源１３０及び光学ヘッド移動システム１４２の操作を定義する構築命令１５２を受信しうる。構築命令１５２は、例えば画像スライスデータ、走査データ、層厚さデータ、走査ストリップ重複データ、およびエネルギー分布データを含みうる。このデータは変更可能であり得、構築命令が生成されたときに定義されうる。画像スライスデータは、３次元構造のモデルを通した平面スライスに対応し、３次元構造を形成する構築層のそれぞれに対応する一連の２値画像を定義する。走査データは、複数ビームが粉体床１０２の露光層上のいずれかの位置を選択的に露光することが可能にできるように、光学ヘッド１４０の粉体床１０２に対する移動のパターンなどの走査パターンまたは方策を定義する。ストリップ重複データは、粉体床１０２上の隣接する走査ストリップ間の重複量を定義する。層厚さデータは、粉体材料の各層及びすなわち各構築層の厚さを定義する。エネルギー分布データは、選択された光源それぞれについて出力及び露光時間を含む粉体上の光のエネルギー分布を定義する。
【００３７】
構築命令１５２は、ファイルまたはその他のデータ構造の形態でありうる。構築命令１５２は、例えばＣＡＤファイルによってあらわされるような、オブジェクトのモデルから作られうる。構築命令１５２の各行は、光学ヘッド１４０の位置、その位置において稼働される光源の特定、その位置において稼働される特定された光源のそれぞれに対する露光時間及び出力を含みうる。そのため、構築命令１５２は、光学ヘッド１４０の複数位置が、各構築層のボクセルの全てを生成するように、光学ヘッド１４０の各位置において複数ボクセルを形成するためのデータを提供しうる。構築命令１５２はまた、各構築層が形成された後に、再度の層形成を初期化するための、再度の層形成命令を含みうる。
【００３８】
制御システム１５０は、ＣＮＣコンピュータ（例えばＰＣ）及び／またはマイクロコントローラ回路を含みうる。一例において、ＣＮＣコンピュータは、位置データを得て、光学ヘッド１４０の位置を制御するために行ごとに構築命令ファイルを読み込みうる。ＣＮＣコンピュータは、光学ヘッド１４０が各位置にある間に、光源１３０を制御するためにマイクロコントローラに命令を送信しうる。ＣＮＣコンピュータはまた、粉体を再び層形成するために処理チャンバー内のピストンステッパーモーター及び粉体布設機モーターの位置を制御するために、粉体床支持システム１１０及び粉体送達システム１２０に命令を送信しうる。動作の一つの例において、マイクロコントローラは、再度の層形成中に命令の読み込みを中止するために、ＣＮＣコンピュータにビジー信号を送信し、再度の層形成が完了した後に準備信号を送信しうる。他の例において、マイクロコントローラは、構築命令を直接受信し、ＣＮＣコンピュータなしに自動動作を可能にするのに十分な処理能力を有しうる。
【００３９】
図２を参照すると、複数ビーム光学ヘッド２４０の１つの実施形態は、光源２３０−１から２３０−ｎ（例えばレーザー）にそれぞれ結合された光ファイバー２３２−１から２３２−ｎのアレイの端部において、ｎ個の光ファイバー出力端２３４−１から２３４−ｎの１次元アレイ（すなわち、単一の直線）を含む。そのため、１次元複数ビーム光学ヘッド２４０は、最大で１次元アレイ内のｎ個の光ビーム２３１−１から２３１−ｎを生成することができる。１次元アレイ内で生成される光ビーム２３１−１から２３１−ｎの数およびパターンは、光源２３０−１から２３０−ｎを選択的に作動させることによって変更されうる。
【００４０】
１次元複数ビーム光学ヘッド２４０は、光ファイバー出力端２３４−１から２３４−ｎを位置決めし、間隔をあけるファイバー位置決めブロック２４２を含みうる。光学ヘッド２４０はまた、隣接する集束ビーム２３１−１から２３１−ｎが処理表面２０６において間隔をあけられるように、集束ビーム２３１−１から２３１−ｎを集束し、処理表面２０６に向ける１つまたは複数の画像光学系２４４などの光学系を含みうる。画像光学系２４４は、ビームの全てを集束する単一のレンズまたは、各ビームを集束する複数のレンズ（例えばマイクロレンズアレイ）を含みうる。そのため、処理表面の粉体層上において、ビーム２３１−１から２３１−ｎによって生成されたビームスポットは、溶融プール及び融合領域をもたらす間隔を有し、溶融プール及び融合領域はそれに従って間隔をあけられる。出力端が実質的に等間隔を有するものとして示されているが、光学ヘッド２４０は不均一な間隔を提供しうる。
【００４１】
光ファイバー出力端２３４−１から２３４−ｎはブロック２４２内に密に詰められ、例えば、直径１００μｍの直径を有する１０本のファイバーが１ｍｍ内に密に詰められうる。ビームスポットの大きさ及び間隔は、一般にファイバーコア直径、ファイバー間隔、及びビームの集束の関数である。いくつかの実施形態において、画像光学系２４４は、集束された隣接するビーム２３１−１から２３１−ｎが処理表面２０６において５０μｍから３００μｍの範囲のビームスポットの大きさ及び約１５０μｍから６００μｍの範囲の間隔を有するように、ビーム２３１−１から２３１−ｎを集束しうる。別の例において、単一モードレーザーが、２０ミクロン程度のスポット大きさを得るために使用されうる。さらなる例において、１００から１１０ミクロンの範囲のコアを有する複数モードファイバーは、１００から１１０ミクロンの画像化されたスポットの大きさを生成しうる。ファイバーが密に詰められると、ビームの中心から中心への間隔は実質的にファイバー直径に対応し、例えば、密に詰められた１０ミクロンのファイバーは、１０ミクロンの中心から中心までの間隔を提供し、密に詰められた１００から１１０ミクロンの複数モードファイバーは、おおよそ１００から１１０ミクロンの間隔を提供しうる。以下により詳細に議論されるように、ビームスポットの大きさ及び間隔は、処理表面に対して集束を調整することによって調整されうる。
【００４２】
本明細書において説明されるように、複数ビーム付加的製造システムおよび方法において使用される場合、１次元複数ビーム光学ヘッド２４０は、１つまたは複数の光源２３０−１から２３０−ｎを選択的に作動させつつ、（例えば直線または非直線走査パターンにおいて）異なる位置に移動されうる。光学ヘッド２４０の各位置において、例えば１つまたは複数の光源２３０−１から２３０−ｎは、所定の時間及び出力で（例えば構築命令によって定義されるように）オンにされ、１つまたは複数のビーム２３１−１から２３１−ｎを生成し、処理表面２０６上で１つまたは複数のビームスポットを含む露光パターンを生成する。粉体床内に構築層を形成するために使用される場合、例えば１つまたは複数の光源２３０−１から２３０−ｎが選択的に作動されて（すなわち変調されて）、構築層のボクセルに対応する粉体層の領域を溶融及び融合する光ビーム２３１−１から２３１−ｎのパターンを生成する。
【００４３】
図２Ａに示されるように、複数ビーム光学ヘッド２４０及び／または画像光学系２４４は、処理表面２０６ａからｃに対してビーム２３１の集束を変更するために異なる位置に移動されうる。ビーム２３１の集束を変更することは、マーク−間隔比を変更し、すなわちスポットの大きさ、間隔、及びビームスポットの出力密度を変更することとなる。図２Ａは、各処理表面２０６ａからｃにおいて生成された３つの異なる集束の程度及びビームスポット２３３ａ−ｃを示している。ビームが処理表面２０６ａに集束されている（すなわち、処理表面２０６ａが焦点面にある）場合、ビームスポット２３３ａは、スポットの大きさが最小であり、出力密度が最大でありうるが、間隔はより大きくなる。ビームが処理表面２０６ｂ、２０６ｃに対して集束されていない（すなわち、処理表面が集束面から外れている）場合、ビームスポット２３３ｂ、２３３ｃは、スポットの大きさがより大きくなり、出力密度がより低くなり、間隔がより小さくなりうる。そのため、複数ビーム光学ヘッド２４０は、より高い出力密度及び解像度を必要としない特定の用途について、重複するビームスポットを提供するために集束を調整しうる。ビームスポットの大きさは、例えば、以下により詳細に説明されるように、構築層の異なる材料及び／または異なる領域について変更されうる。
【００４４】
そのため、分布露光パターンにおけるビームスポット間の間隔は、処理表面上にビームを集束することによって提供され、間隔は集束を変更することによって調整されうる。分布露光パターンにおけるビームスポット間の間隔は、複数ビーム分布露光における隣接していないビームを使用することによっても提供されうる。例えば隣接するビームスポットが間隔を有さない（例えば図２Ａのビームスポット２３３ｃ）ようにビームが集束を外されると、光源は露光が隣接するビームを使用しないように選択的に作動されうる。
【００４５】
図３を参照すると、複数ビーム光学ヘッド３４０の別の実施形態は、ｎ×ｍ光ファイバー出力端３３４−１から３３４−ｎ、３３４−ｍの２次元アレイを含む。２次元アレイは一般に、光ファイバー出力端３３４−１から３３４−ｎの２つまたはそれ以上の列ｎ及び光ファイバー出力端３３４−１から３３４−ｍの２つまたはそれ以上の行ｍを含む。各行および列の光ファイバー出力端３３４は図示されるように整列され、または千鳥配置のビームスポットを有する露光パターンを形成するように千鳥配置とされうる。２次元アレイは長方形アレイとして示されているが、２次元アレイはその他の形状または構成を有しうる。
【００４６】
１次元複数ビーム光学ヘッド２４０と同様に、光ファイバー出力端３３４−１から３３４−ｎ、３３４−ｍは、各光源に結合された光ファイバーの端部に配置される（図３には図示されていない）。そのため、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は２次元アレイの最大ｎ×ｍ個の光ビーム３３１−１から３３１−ｎ、３３１−ｍを発生することが可能である。２次元アレイで生成される光ビーム３３１−１から３３１−ｎ、３３１−ｍの数およびパターンは、光源を選択的に作動させることによって変更されうる。
【００４７】
２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、光ファイバー出力端３３４−１から３３４−ｎ、３３４−ｍを位置決めし、間隔を開けるファイバー位置決めブロック３４２を含む。２次元複数ビーム光学ヘッド３４０はまた、複数ビーム３３１を処理表面３０６の方へ集束して間隔を有するビームスポットのアレイを形成するための画像光学系３４４などの光学系も含む。２次元複数ビーム光学ヘッド３４０によって生成される隣接する集束ビーム３３１−１から３３１−ｎ、３３１−ｍの間隔は、前述の１次元複数ビーム光学ヘッド２４０と同じ範囲内にありうる。２次元複数ビーム光学ヘッド３４０及び／または画像光学系３４４はまた、前述のように集束、ビームスポットの大きさ及び間隔を調整して調整されうる。
【００４８】
本明細書で説明されるように複数ビーム付加的加工システム及び方法に使用される場合、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、１つまたは複数の光源を選択的に作動させながら異なる位置（例えば直線または非直線走査パターン内）に移動されうる。光学ヘッド３４０の各位置において、例えば１つまたは複数の光源は所定の時間及び出力で（例えば構築命令によって定義されるように）オンにされ、１つまたは複数のビーム３３１−１から３３１−ｎ、３３１−ｍ及び処理表面３０６上のビームスポットを含む露光パターンを生成しうる。粉体床内に構築層を形成するために使用される場合、例えば、１つまたは複数の光源が選択的に作動されて、構築層のボクセルに対応する粉体層の領域を溶融、融合する光ビーム３３１のパターンを生成する。
【００４９】
ある実施形態において、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、粉体床上の粉体層の表面積よりも小さなビームの２次元アレイを提供する。そのため、この実施形態において、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、粉体層にわたって移動または走査され、粉体層全体にわたって露光を提供する。別の例において、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、粉体床上の粉体層の表面積全体を実質的に覆うのに十分大きな２次元アレイを提供しうる。この実施形態において、２次元複数ビーム光学ヘッド３４０は、ビームスポットの間隔に応じて少数回の局所的な移動のみで粉体層の表面領域全体を露光することができる。
【００５０】
別の実施形態において、複数ビーム光学ヘッドは異なる寸法の異なるアレイ（例えば１または２次元）を形成するようにモジュール化されまたは構成されうる。光ファイバー出力端を保持し、位置決めするファイバー位置決めブロックは、例えば、一体に接続されるように構成されうる。そのため、光ファイバー出力端の複数一次元アレイは、一体に接続されてより大きな１次元アレイもしくは２次元アレイを形成し、または光ファイバー出力端の複数２次元アレイは一体に接続されてより大きな２次元アレイを形成しうる。
【００５１】
本明細書で説明される実施形態は、円形ビームスポットを生成する円形断面を有する光ファイバーを参照しているが、複数ビーム付加的製造システム及び方法は、正方形などの他の断面を有する光ファイバーも使用しうる。追加的な光学系もビームスポットの形状を改良するために使用されうる。図示された実施形態は、ビームを処理表面の方へ垂直に向ける光学ヘッドを示しているが、光学ヘッドは、処理表面に対してある角度にビームを向けるように傾けられうる。
【００５２】
図４Ａから４Ｄは、本開示の実施形態と合致する複数ビーム光学ヘッド４４０を使用する３次元構造４０１の構築層の形成の例を示している。この例は１次元複数ビーム光学ヘッド４４０を示しているが、２次元複数ビーム光学ヘッドも同様に使用されうる。この例において、３次元構造４０１は側部区画４０３ａ、４０３ｂ及び頂部区画４０５を有し、一体として側部区画４０３ａ、４０３ｂ及び頂部区画４０５を形成する一連の構築層４０８−１から４０８−７によって形成される。構築層４０８−１から４０８−７はそれぞれボクセルから形成され、各ボクセルは複数ビーム光学ヘッド４４０から放出された１つまたは複数のビーム４３１による露光の結果として粉体が融合する際に形成される。
【００５３】
図示されるように、連続する粉体床４０２−１から４０２−７は粉体床４０２上に堆積され、複数ビーム光学ヘッド４４０は粉体層４０２−１から４０２−７に対して異なる位置に移動され、選択された領域の粉体層のそれぞれを１つまたは複数のビーム４３１で露光し、構築層のそれぞれを作り上げるボクセルを形成する。具体的には、ビーム２３１からの露光は、粉体層を通して露光された領域（すなわちビームスポット）内の粉体の少なくとも一部を溶融し、構築層４０８内の各ボクセルに対応する各融合領域４０６を形成する。ビーム４３１による露光のそれぞれからのエネルギーは、融合領域４０６がそれ以前の構築層内の同じ位置におけるいずれかの融合領域またはボクセルまで延在し、接続するのに十分粉体層を貫通する。例えば、図４Ａに示されたボクセルまたは融合領域４０６ａは、それ以前の構築層４０８−１内の対応するボクセルと接続されている。そのため粉体層の厚さは各ボクセルの深さ及び構築解像度を決定する。いくつかの構造について、または構造のいくつかの部分について、粉体材料のより厚い層が、より出力の高い光で使用されうる。
【００５４】
図示されるように、光学ヘッド４４０は対応する分布溶融プール及び分布融合領域４０６を形成するためにビーム４３１を使用する複数ビーム分布露光を実行しうる。走査パターンに従って光学ヘッド４４０を移動させ、光学ヘッド４４０の複数の異なる位置において複数ビーム分布露光を提供することにより、分布融合領域４０６は構築層を形成するために一体に接続されうる。換言すれば、続いて行われる複数ビーム分布露光は、分布融合領域４０６間の間隔を埋める。分布溶融プール及び融合領域を形成することにより、部分的な熱応力を低減するための熱エネルギーを非局所化しつつ、構築速度を増すために複数ビームを使用することができる。後で融合領域またはボクセルを接続することにより、熱応力を散逸させることができる。様々な走査パターンおよび方策が、以下により詳細に説明されるように構築層内で分布融合領域４０６を接続するために使用されうる。融合領域４０６は、例示の目的のみのために長方形の形状として示されており、円筒形または回転楕円体などのその他の形状を有しうる。
【００５５】
図４Ａ及び４Ｂは、複数ビーム４３１を使用して側部区画４０３ａ、４０３ｂに対応する比較的狭いストリップに沿って粉体層４０２−２上に分布露光を実行することによる、構築層４０８−２内の構造４０１の側部区画４０３ａ、４０３ｂの形成を示している。図４Ｃ及び４Ｄは、複数ビーム４３１を使用して、頂部区画４０５に対応するより大きな領域上で各粉体層４０２−５、４０２−７にわたって分布露光を行うことによる、構築層４０８−５、４０８−７内の構造４０１の頂部区画４０５の形成を示している。
【００５６】
図５Ａに示されるように、複数ビーム分布露光５３１は、ビームスポットの大きさＤ及び間隔Ｓを有する複数の間隔を開けられたビームスポット５３３ａ、５３３ｂを含む分布露光パターンを提供する。各ビームスポット５３３ａ、５３３ｂは、対応する溶融ボール５０６ａ、５０６ｂ（及び融合領域）を生成する。ビームがガウシアン強度プロファイルを有する場合、ビームの外側領域における、より低いエネルギーは、ビームスポットよりも小さな大きさ（例えばより小さな直径ｄ）を有する溶融ボール５０６ａ、５０６ｂをもたらしうる。そのため、融合領域を接続するために、複数の複数ビーム分布露光が、溶融ボールが分布露光５３１によって形成された溶融ボール５０６ａ、５０６ｂ間の空間を埋めるように重なるように、重ねられる。
【００５７】
図５Ｂに示されるように、溶融ボール５０６ａ、５０６ｂ間の間隔は、格子間隔Ｐを有する格子上に重ねられた複数の複数ビーム分布露光を使用することによって埋められうる。これによって、分布融合領域が、後続の分布露光によって一体に接続可能となる。この例において、格子間隔Ｐ及び間隔Ｓは、２つの溶融ボールが、２つの連続する露光から２つのビームスポットを使用する複数ビーム分布露光５３１によって形成された溶融ボール５０６ａ、５０６ｂ間の間隔内に配置されるようにされる。しかし、これは、間隔Ｐ，間隔Ｓ、ビームの大きさＤ、溶融ボールの大きさｄ及び空間を埋める溶融ボールの数が変動しうるため、本開示を限定することとはならない。図５Ｂは、溶融ボール間のいずれかの侵入する空気を最小化するのに十分な重なりを示しているが、重なりは、図５Ｂに示される重なりより大きく、または小さくなりうる。
【００５８】
溶融プールまたは溶融ボール５０６ａ、５０６ｂの大きさは、粉体材料の種類、光ビームの出力、ビームスポットの大きさ及び露光時間に依存しうる。図６は、ステンレス鋼３１６Ｌ及びコバルトクロムについて露光時間の関数として溶融ボールの直径を示す。この例において、光源は３０Ｗの出力及び９７４ｎｍの波長を有するダイオードレーザーであり、ビームは約３００ミクロンのスポットサイズまで集束される。図示されるように、ステンレス鋼３１６Ｌは、より高い融点を有するにもかかわらず、所定の露光時間でコバルトクロムよりも大きな溶融ボールを形成する。そのため、特定の粉体材料について溶融ボールの形成プロセスを特徴づける場合、吸収及び比熱を考慮すべきである。
【００５９】
様々な走査パターンが、前述のように格子上で複数ビーム分布露光を重ねるために使用されうる。図７Ａから７Ｅは、３つの間隔を開けられたビームスポットの１次元アレイを含む分布露光パターン７３３を使用する、いくつかの交互配置された走査パターン（または走査方策）を示している。この分布露光パターン７３３は、例えば、少なくとも３つの光ファイバーの１次元アレイによって生成されうる。違う数のビームスポットを有する分布露光パターンは、違う数の光ファイバーで生成されうる。
【００６０】
この分布露光パターン７３３は、３つの間隔を開けられた溶融ボールの対応する溶融パターンを生成し、これは３つの間隔を開けられた融合領域またはボクセルの対応するパターンをもたらす。これに続く複数ビーム分布露光は、走査領域７３５内の対応する分布融合領域を一体に接続するためにこの同じ分布露光パターン７３３を使用して行われうる。溶融ボールの大きさが、前述のように溶融プールを生成する対応するビームスポットの大きさよりも小さくなりうるため、後続の複数ビーム分布露光のビームスポットはそれに従って重なりうる。例えば出力及び／または露光時間を増大することによって、ビームスポットよりも大きな溶融プールまたは溶融ボールを生成することも可能でありうる。
【００６１】
図７Ａから７Ｅに示されるように、各走査パターンは、異なる軸内の光学ヘッドによる一連の局所移動を含み、それにより、ビームスポット間の間隔を埋め、構築層の区画に対応する走査領域７３５を覆うように露光パターン７３３を交互配置することを含む。走査領域７３５の格子の大きさは、露光パターン７３３のビームスポットの数、ビームスポット間の間隔、及び走査パターン内の移動の関数でありうる。３つのビームスポット及び間隔を埋めるための３つの露光を有するこの例において、走査領域７３５は長さに沿って９つの重なるビームスポットを有して形成される。具体的には、図７Ａから７Ｄは、３×９の格子の大きさを有する走査領域７３５を示しており、図７Ｅは５×９の格子の大きさを有する走査領域７３５を示している。
【００６２】
図７Ａから７Ｅにおける矢印は、走査領域が覆われるまで各後続の複数ビーム分布露光を行うために、Ｘ及びＹ軸において光学ヘッドの各局所位置への各局所移動の方向を示している。ビームのすべてがこれらの位置のそれぞれにおいて露光される場合、固体構築層区画がビームスポットに対応する溶融ボールによって走査領域７３５内に形成される。光源を選択的に作動させ、異なる位置のそれぞれにおいてビームスポットを選択的に生成することによって、異なるパターンまたは形状を有する構築層区画が走査領域７３５内に形成されうる。これらの局所移動は、複数走査領域７３５が粉体床にわたる走査ストリップを形成するように一連の位置において繰り返されうる。複数走査ストリップは、粉体層全体を覆い、完全な構築層を形成するのに必要な限りにおいて（例えば定義された走査ストリップの重複で）重ねられうる。
【００６３】
図７Ｆは、５つのビームスシステムにおける交互配置のさらなる例を示す。この例において、各文字は異なるビームを表し、各列は連続的な走査を表す。粉体材料は、隣り合う走査直線が同時に一体として画像化されない時間において、１つの走査直線内で融合され、埋められる。換言すれば、交互配置の技術は、走査直線間を埋めるために隣接していない、または隣り合わない複数ビームで使用される。
【００６４】
交互配置は、付加的製造においていくつかの利点をもたらしうる。具体的には、交互配置によって、画像化プロセスが遅い走査方向において滑らかな動きとして実行可能になる。ビームスポットの隣接するアレイが使用される場合、これらはブロック内に画像化され、遅い走査方向はアレイの大きさごとに段階的に前進することとなる。隣接しないアレイの単一ビームスポットを交互配置することによって、アレイは遅い走査方向においてより小さなステップで段階的に進められうる。
【００６５】
隣接しない走査直線を交互配置することはまた、各走査直線を合致した特性で画像化することを可能にする。隣接する走査直線は同時に画像化されないため、隣接する領域のベース材料は融合されず、そのため冷たいままである。金属粉体でのレーザー付加的製造は、熱伝導性材料上の熱プロセスである。隣接するアレイが使用される場合、アレイの中心はアレイの縁よりもずっと熱くなり、中心では縁とは異なる画像化特性になる。そのため、縁における融合材料は異なる特性を有することとなり、例えば視認可能な縞につながる。融合材料の構造は、隣接するビームが温度に影響を与えていない場合に改善される。従って、走査直線を交互配置する場合、温度はビームスポットアレイにわたって、及びアレイによって形成される走査直線にわたってより一定になる。
【００６６】
図８Ａ及び８Ｂは、走査領域８３５を覆う２次元分布露光パターン８３３を使用した、交互配置された走査パターン（または走査方策）を示す。２次元分布露光パターン８３３は、図７Ａから７Ｅに示される交互走査パターンのいずれかに従って走査されうる。
【００６７】
図９は、角度をつけられた１次元分布露光パターン９３３を用いた直線状走査パターンを示している。この例において、角度をつけられた１次元分布露光パターン９３３は、ビームスポットが後続の露光の隣接するビームスポットによって重ねられるように、直線状走査方向に対して角度をつけられる。そのため、角度をつけられた１次元分布露光パターン９３３は１つの軸に沿って走査され、ビームスポット間の間隔を埋めるためのその他の軸の移動を必要としない。
【００６８】
図１０は、千鳥配置の２次元分布露光パターン１０３３を使用する直線状走査パターンを示している。この例において、ビームスポットは、ビームスポットが後続の露光の隣接するビームスポットに重ねられるように、千鳥配置とされている。このため、千鳥配置の２次元分布露光パターン１０３３は１つの軸に沿って走査され、ビームスポット間の間隔を埋めるために他の軸の移動を必要としない。
【００６９】
図１１から１３は、複数ビーム付加的製造システム及び方法の１つの実施形態を使用して構築された構造を示している。これらの物体のそれぞれは、５μｍよりも大きく５３μｍよりも小さな粒子の大きさを有するステンレス鋼３１６Ｌの粉体から構築された。システムは、１次元アレイに配置され、光学ヘッド内に密に詰められた７つの光ファイバーに結合された、約９７４ｎｍの波長及び約３０Ｗの出力を有する７つのダイオードレーザーを含んでいた。
【００７０】
図１１は、５０×２１の溶融ボール（またはボクセル）を含む単一層固体長方形構造を示している。この単一層固体長方形構造は、図７Ａに示される走査方策及び各ダイオードレーザーについて約５ｍｓの露光時間を使用して構築された。図１２は、「ＩＰＧ」ロゴのレタリングを形成する単一層の２６１×６４ボクセル構造を示している。この構造は、走査ストリップ間の２つの画素重複及び各ボクセルについて５ｍｓの露光時間で、間隔０．１５ｍｍの格子に構築された。図１３は、「ＩＰＧ」ロゴのレタリングを形成する複数層構造を示す。この複数層構造は、走査ストリップ間の２つの画素重複及び各ボクセルについて１０ｍｓの露光時間で間隔０．１５ｍｍの格子上に１０個の構築層を使用して構築された。アンカーピラー（図示されない）が、蓄積応力が構造を変形させるのを防ぐために構築層を基板に固定するために、複数層構造の各角部において使用された。残留酸素を除去し、不活性ガスで充填するための真空システムの使用は、複数層構築における酸化を低減し、層間固定を改善しうる。再溶融が例えばステッチング重複において生じる部分で酸化が低減されうる。
【００７１】
複数ビーム付加的製造システム及び方法の他の実施形態が、例えば異なるビームスポットの大きさを使用することによって異なる解像度を提供するために使用されうる。より小さなビームスポットの大きさは、一般により小さな溶融ボール／融合領域／ボクセルを生成し、そのためより高い解像度を生じる。より大きなビームスポットの大きさは、一般により大きな溶融ボール／融合領域／ボクセルを生成し、そのためより低い解像度を生じる。ビームスポットの大きさが、例えば前述のように集束を調整することによって制御されうる。異なる光源またはレーザーは、異なるビームスポットの大きさ及び解像度を得るためにも使用されうる。この実施形態は、単一のより大きなビーム及び単一のより小さなビームを使用し、並びに／またはより大きな複数ビーム及びより小さな複数ビームを使用しうる。
【００７２】
１つの例において、より大きなビームスポットの大きさは、４００から５００μｍの範囲であり、より小さなビームスポットの大きさは、５０から７０μｍの範囲でありうる。より大きなスポットは、材料のバルクを融合するのに使用され、より小さなスポットは精細な詳細部及び／または縁部分の仕上げを実行するために使用されうる。この実施形態において、大きな複数ｋＷレーザーが、より大きなスポットのためにより高い出力（例えば５００Ｗから５ｋＷ）で使用され、より小さなスポットのためにより低い出力（例えば１００から４００Ｗ）で使用されうる。
【００７３】
図１４に示されるように、例えば、より大きな大きさのビームスポット１４３３は、構造１４０１の内部領域１４０３に使用され、より小さな大きさのビームスポット１４３５は、より高い解像度が望ましい構造１４０１の外側領域１４０５で使用されうる。構造１４０１の実質的な部分においてより大きなビームスポットの大きさ及びより低い解像度を使用すると、構築速度をより速くすることができる。縁部分の近傍でより小さなビームスポット１４３５及びより高いエネルギー密度を使用することで、構築時に構造１４０１の外側表面により滑らかな表面仕上げをもたらす。
【００７４】
さらなる実施形態において、図１５Ａから１５Ｃに示されるように、複数ビーム付加的製造システムは、各粉体層が送達されるごとに複数ビームが粉体床１５０２を走査するように、粉体の各層の送達に続く複数ビーム光学ヘッド１５４０を含む。複数ビーム光学ヘッド１５４０は、例えば粉体床にわたって移動する粉体布設機装置１５２０に結合されうる。粉体布設機装置１５２０は、矢印４によって示されるように粉体床１５０２にわたって直線方向に移動して粉体層を広げ、例えば、複数ビーム光学ヘッド１５４０は、プリンターキャリッジと同様に矢印８によって示されるように直交する方向に前後に走査する。
【００７５】
各位置において、光学ヘッド１５４０は、分布融合領域１５０６のパターンを形成するために複数ビーム分布露光を提供しうる（図１５Ｂ）。分布融合領域１５０６は、布設機装置１５２０が粉体床にわたって移動を続けるごとに続いて分布露光を実行することによって、接続されて構造１５０１の構築層を形成する（図１５Ｃ）。層が送達されるごとに粉体層を走査及び露光することで、走査及び露光プロセスの開始前に送達しなければならない粉体層のすべてを待たなければならないという状況を回避し、そのため構築速度をさらに増大しうる。
【００７６】
この実施形態の別の変形例において、図１６に示されるように、複数ビーム光学ヘッド１６４０は、角度をつけられた１次元アレイを含む。この複数ビーム光学ヘッド１６４０は、粉体布設機装置１６２０が粉体床１６０２にわたって移動するごとに、例えば図９に示されるように走査されうる角度をつけられた分布露光パターンを提供する。さらに別の変形例において、図１７に示されるように、複数ビーム光学ヘッド１７４０は、千鳥配置の２次元アレイを含む。この複数ビーム光学ヘッド１７４０は、粉体布設機装置１７２０が粉体床１７０２にわたって移動するごとに、例えば図１０に示されるように走査されうる千鳥配置の２次元分布露光パターンを提供する。露光パターンの角度は、溶融プールの間隔を制御するために構築プロセスの間に変更可能でありえ、制御可能でありうる。
【００７７】
さらなる実施形態において、図１８に示されるように、複数ビーム光学ヘッド１８４０は粉体送達システムに直接結合される。この実施形態において、複数ビーム光学ヘッド１８４０は、粉体送達ホッパー１８２０ａ、１８２０ｂ及び布設機１８２２ａ、１８２２ｂの間に取り付けられる。ホッパー１８２０ａ、１８２０ｂが粉体床１８０２にわたって（例えば矢印４の方向に）移動すると、粉体１８０４は、先行するホッパー１８２０ｂから解放され、先行する布設機１８２２ｂを使用して広げられる。複数ビーム光学ヘッド１８４０は前述のように、図１５から１７に示されるように直交する方向に粉体床にわたって前後に走査する。粉体床支持プラットフォーム１８１０は、構造１８０１の各構築層が形成された後に粉体床１８０２を降下させる。
【００７８】
別の実施形態において、図１９に示されるように、複数ビーム付加的製造システム１９００は、本明細書で説明されるパターンのいずれかに従って複数のビーム１９３１を走査するためのポリゴンミラー１９４２を含みうる。光源１９３０のアレイは、複数ビーム光学ヘッド１９４０によってポリゴンミラー１９４２の方へ向けられる光を選択的に発生させ、ポリゴンミラー１９４２はビーム１９３１を、例えば分布露光を実行する際に粉体床１９０２にわたって走査する。ポリゴンミラーは、５０ｍ／ｓの速度でビームを走査することが可能でありうる。この実施形態において、光ビーム１９３１は、粉体層が送達されている際に（例えば粉体布設機の移動に従って）、粉体床１９０２にわたって走査されうる。粉体床１９０２は、複数ビーム１９３１が粉体床１９０２の異なる領域にわたって走査可能であるように、走査方向に対して直交する方向に移動されうる。
【００７９】
さらなる実施形態において、図２０に示されるように、複数ビーム付加的製造システム２０００は、本明細書で説明されたパターンのいずれかに従って複数ビーム２０３１を走査するためのめっきスキャナー２０４２を含みうる。めっきスキャナー２０４２は、少なくとも１つの方向に走査するための１つまたは複数の走査ミラーを含みうる。より大きな部分については、第２のめっきスキャナーが垂直方向に走査するために提供されうる。より小さな部分については、めっきスキャナー２０４２は垂直方向に走査するために、圧電ミラーまたはボイスコイルによって駆動される走査ミラーを含みうる。
【００８０】
光源２０３０のアレイは、複数ビーム光学ヘッド２０４０によってめっきスキャナー２０４２の方へ向けられる光を選択的に発生させ、めっきスキャナー２０４２は例えば分布露光を実行する際に粉体床２００２にわたってビーム２０３１を走査する。光学ヘッド２０４０は、実質的にコリメートされたビームをめっきスキャナーに提供し、ビームスポットの大きさを変更するための１つまたは複数のズームレンズ（図示されない）を含みうる。走査の際に、Ｆシータ走査レンズ２０４５が、ビーム２０３１を粉体床２００２に集束する。
【００８１】
この実施形態において、光ビーム２０３１は、粉体層が送達される際に（例えば粉体布設機の移動に従って）、粉体床２００２上を走査されうる。粉体床２００２はまた、複数ビーム２０３１が粉体床２００２の異なる領域にわたって走査可能であるように移動されうる。
【００８２】
径方向に対称な光学系において、複数ビーム走査システムは、前述のように、異なる方法で配置されたアレイ（例えば異なるパターンまたは配向の異なる数のビーム）で、ビームのアレイを走査するように設計されうる。径方向に対称なシステムが中心軸から±４ｍｍのアレイを収容するように設計される場合、例えば、その８ｍｍの範囲内でどれだけの数のビームが生成されるか、またはそれらのビームの配向は問題ではなくなる。従って、そのようなシステムにおいて、アレイは光学系を変更することなく変更され、または再構成されうる。例えば、アレイは用途に応じてカスタム化されうる（例えば、材料、部品の大きさなど）。
【００８３】
複数ビーム付加的製造システム及び方法は、異なる、より効率的な走査パターンを可能にするために、２次元アレイ内のビームを再構成しうる。複数ビーム付加的製造システム及び方法は、部品の各構築層を形成するために前後または上下に走査する必要がない。複数ビーム付加的製造システム及び方法は、部品の輪郭に従って構築層を走査してもよく（ランダムアクセスシステムとも呼ばれる）、これは、より効率的であり、より速い構築速度が可能になりうる。そのようなランダムアクセスシステムでは、交互配置は、走査直線の配向に依存して、２次元アレイが使用されるがビームのいくつかのみが画像化を行うように設定されうる。円形の部品では、例えば前後に移動し、ビームをこれらが部品の壁の境界を横切る際にのみオンにされる（例えば図１５Ａから１５Ｃに示されるように）のではなく、アレイは円形を回って走査されうる。アレイが円形を回って移動するため、アレイは移動方向に対して異なって配向され、そのためアレイ内のビームの異なるセットがそれに従って異なる時間でオンにされる。図７Ｆに示されるように交互配置する場合、例えば、アレイ内のビームの異なるセットが異なる時間における交互ビームＡからＥのそれぞれに対応しうる。
【００８４】
２次元アレイを有する複数ビーム付加的製造システム及び方法はまた、それぞれ事前加熱及び事後加熱を行うための先行ビーム及び後行ビームを使用しうる。材料を事前加熱及び事後加熱することで、温度プロファイルが一定になり、材料の急速すぎる加熱及び冷却を防ぐ。
【００８５】
単一の高エネルギービームが固定されたレーザー出力で粉体領域に集束されると、金属粉は短時間のうちに固体から液体へ変化する。しかし、単一のビームが動くと、液体の金属は制御されない速度で凝固する。金属または金属合金の凝固プロセスは、その金属または金属合金を溶融し、凝固することによって形成される生成物の工学的特性に影響を与えうる。いくつかの粉体床融合ＬＡＭ実験において、２０から５３μｍの平均粉体粒子の大きさを有する様々な金属粉体（すなわち、ステンレス鋼３１６Ｌ、Ｎｉ系スーパーアロイＩｎｃ６２５、及びＣｏ−Ｃｒ合金）を溶融させるために、約６５Ｗの出力、約１５０μｍのスポットサイズ、及び１０から８０ｍｍ／ｓの走査速度を有する連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ：ＣＷ）レーザーダイオードが使用された。これらの実験において、目標は３０から２００μｍの層厚さ（例えば、３０、５０、７５、１００、１５０及び２００μｍの層）の、最大約１２０層を形成することであった。これらの実験は、０．２から１．２体積％の範囲の多孔性を有する３１６Ｌ及びＩｎｃ６２５の粉体についてほぼ１００％の密度を有するサンプルを得る結果となった。しかし、Ｉｎｃ６２５から生成されたいくつかのサンプルは、主に、高く、制御されない凝固速度に起因しうる重大な亀裂を有することが観察された。表面粗さも所望の値よりも大きかった。
【００８６】
融合される粉体領域上を走査する１つの集束ビームを使用する代わりに、より多くの熱源を提供するために、同じ粉体領域上を複数のビームが（例えば複数のレーザーダイオードから）連続的に走査されうる。レーザーダイオードが熱源として使用される場合、例えば、各ダイオードのレーザー特性（例えば出力）は、事前加熱及び／または事後加熱もしくは冷却を制御するために制御可能であり、これによって凝固速度を制御する。合金の凝固速度の制御は、より高い温度で維持可能な、より高いクリープ耐性及び腐食耐性などの改善された機械的特性を有する単結晶合金（すなわち結晶粒界を有しない合金）の製造につながる場合がありうる。そのようなプロセスは、例えばタービンブレードを製造するのに適している。
【００８７】
制御された凝固をもたらすために同じ粉体領域に露光するための複数ビームを使用する１つの例示的な実験において、１２個のダイオードのアレイが、Ｉｎｃ６２５合金粉体の事前加熱、溶融及び制御冷却を提供するために最大約４０Ｗの異なる出力で使用された。粉体粒子の大きさ、スポットの大きさ及び走査速度は、単一ビームを用いた前述の実験と同じとした。この実験の事前結果は、多孔性が０．０５％未満であり、単一ビーム法によるものよりも滑らかな表面仕上げを有するサンプルを作製した。凝固速度を制御することは、残留応力を低減する可能性があり、ＬＡＭ処理から、実質的に亀裂のないＮｉ系スーパーアロイ（例えばオーステナイトニッケル−クロム系スーパーアロイ）の製造を可能にしうる。複数ビームの使用はまた、ダイオードのそれぞれからの出力の蓄積効果につながり、これは２００μｍの厚さの、増大した層（５０μｍと比較して）と同様に４０Ｗのより低い最大出力（６５Ｗと比較して）を可能にした。層の厚さの増大を可能にすることによって、複数ビーム露光が融合される同じ粉体領域で使用される場合、構築速度が増大されうる。
【００８８】
図２１を参照すると、制御凝固を提供するための複数ビーム順次露光の例が示されており、以下により詳細に説明する。この例において、光ファイバーの複数の出力端２１３４は、１次元アレイを形成する直線に配列されている。これらの光ファイバー出力端２１３４は、例えば前述の実施形態で説明されたような光源（例えばレーザーダイオード）に結合された光ファイバーを有する光学ヘッドに固定されうる。光ファイバー出力端２１３４はまた、前述の大きさ及び間隔を有し、１０から５００μｍの範囲の大きさ及び０から６００μｍの範囲の間隔を有するビームスポットを生成するように構成されうる。図示された実施形態は１２個の光ファイバー出力端２１３４（例えば１２個のレーザーダイオードに結合された）を示しているが、その他の数のファイバー及びダイオードも、所望の材料、速度及び冶金学的な結果に応じて使用されうる。
【００８９】
各光ファイバー出力端２１３４は、結合された光源から発生した光ビームを放出する。光ファイバー出力端２１３４の直線を矢印によって示された直線の方向に移動させつつ光を光源から発生させることによって、光ビームは同じ粉体領域２１０６に順次向けられ、粉体領域を融合する複数ビーム順次露光をもたらす。光ファイバー出力端２１３４の直線は、直線の方向に、例えば前述の移動ステージを使用して粉体領域２１０６にわたって走査されうる。次いで、光ファイバー出力端２１３４の直線は、複数ビーム順次露光で粉体層上のその他の粉体領域を、例えばラスター走査によってその他の位置まで移動され、それによって３次元構造の構築層を形成する。
【００９０】
制御凝固を提供するために、複数ビーム順次露光は、例えば異なるレーザーダイオードの出力を使用して、光の強度の変更を提供する。光の強度の変更の一例は、図２１に示されるように、事前加熱のための低い強度、溶融のための高い強度、及び冷却（または事後加熱）のための低い強度を提供する。そのため、光の強度の変更は、材料の急速すぎる加熱及び冷却を防止する温度プロファイル２１４０を提供しうる。この例において、強度プロファイル２１４２は各光ファイバー出力端２１３４から放出されたビームの光の強度を表し、これは各光ファイバー出力端２１３４に結合されたレーザーダイオードから異なる出力レベルを提供することによって生成されうる。温度プロファイル２１４０及び強度プロファイル２１４２は単に例示の目的のためであり、実際のプロファイルを表していない場合がありうる。
【００９１】
１つの実施形態において、事前加熱は直線の開始部分において１つまたは複数の光ファイバー出力端２１３４ａによって行われてもよく、溶融は直線の中間部分において１つまたは複数の光ファイバー出力端２１３４ｂによって行われてもよく、冷却は直線の最終部分において１つまたは複数の光ファイバー出力端２１３４ｃによって行われてもよい。例示された例において、事前加熱は、開始部分において光ファイバー出力端２１３４ａにわたって段階的な出力の増加（例えば１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ）、中間部分において光ファイバー出力端２１３４ｂにわたって最大出力（例えば５０Ｗ）、及び最終部分において光ファイバー出力端２１３４ｃにわたって段階的な出力の低下（例えば４０Ｗ、３０Ｗ、２０Ｗ、１０Ｗ）によって行われうる。示された例において、この強度プロファイルは、必ずしも必須であり限定するものではないが、凝固速度を制御するために事前加熱よりも長い冷却を提供する。
【００９２】
一例が示されているが、その他の強度の変動や、その他の温度プロファイルを作り出す強度プロファイルも可能であり、本開示の範囲内にある。例えば、複数ビーム露光は、事前加熱、溶融及び冷却の期間をより長く、またはより短くしてもよく、事前加熱及び溶融のみ、溶融及び冷却のみ、または高い強度及び低い強度（並びに温度）の期間を変更してもよい。所望の温度プロファイルは、走査速度、材料の種類、粒子の大きさ、特徴体の大きさ及び／または所望の冶金学的結果に依存しうる。
【００９３】
図２２及び２３は、複数の複数ビーム順次露光を提供するために使用される光ファイバー出力端の２次元アレイの実施形態を示す。図２２に示されるように、光ファイバー出力端２２３４は、複数の異なる粉体領域２２０６上に同時に複数ビーム順次露光を提供するために一連の直線に配列されうる。直線は、複数ビーム順次露光が分布融合領域を同時に形成するように分布されるように、間隔を開けられうる。図２３に示されるように、光ファイバー出力端２３３４はまた、異なる粉体領域２２０６上に同時に複数ビーム順次露光を提供するために千鳥配置の直線を有する千鳥配置２次元アレイに配列されうる。光ファイバー出力端２２３４、２３３４は、分布融合領域を形成する複数ビーム順次露光を提供するために直線の方向に走査され、その他の方向に移動され、並びに／または分布融合領域について前述した走査パターン及び／もしくは方策（例えば交互走査パターン）を用いて走査されうる。
【００９４】
さらなる実施形態において、本明細書で説明された方法のいずれかで使用するためのビームスポットのアレイは、光源のアレイに結合された光ファイバーの出力端のアレイ以外の技術を使用して生成されうる。１つの例において、光源のアレイが、光ビームを処理表面に向け、または処理表面に集束させるために処理表面の上方に配置され、ビームスポットの１次元または２次元アレイを形成しうる。別の例において、複数のレーザー処理ヘッド（例えばレーザー溶接のために使用される種類など）が、光ビームを処理表面に向け、または処理表面に集束させるために処理表面の上方に配置され、ビームスポットの１次元または２次元アレイを形成しうる。さらなる例において、ミラー及び／またはその他の光学構成要素が、光ビームを処理表面に向け、ビームスポットの１次元または２次元アレイを形成するために使用されうる。
【００９５】
従って、本開示に合致する複数ビーム付加的製造システム及び方法は、部分的な熱応力を低減し、亀裂を低減し、表面仕上げを改善し、及び／または構築速度を改善するために使用されうる。
【００９６】
本発明の原理が本明細書において説明されたが、当業者は、この説明が単なる例としてなされたにすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。その他の実施形態が、本明細書で示され、説明された例示的な実施形態に加えて、本発明の範囲内で実施される。当業者による改良および置換は、本発明の範囲内にあるものとして考慮され、これは以下の特許請求の範囲によるものを除いて限定されるものではない。
【符号の説明】
【００９７】
１０  走査パターン
１００  複数ビーム付加的製造システム
１０２  粉体床
１０４  粉体材料
１０６  処理表面
１１０  粉体床支持システム
１２０  粉体送達システム
１２２  粉体布設機
１３０  光源
１３１  光ビーム
１３２  光ファイバー
１４０  光学ヘッド
１４２  光学ヘッド移動システム
１５０  制御システム
１５２  構築命令
１６０  処理チャンバー
１６２  真空システム
１６４  ガス供給部
１６６  光学コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）システム
２０６  処理表面
２３０−１〜２３０−ｎ  光源
２３１−１〜２３１−ｎ  光ビーム
２３２−１〜２３２−ｎ  光ファイバー
２３３  ビームスポット
２３４−１〜２３４−ｎ  光ファイバーの出力端
２４０  複数ビーム光学ヘッド
２４２  ファイバー位置決めブロック
２４４  画像光学系
３０６  処理表面
３３１−１〜３３１−ｎ、３３１−ｍ  光ビーム
３３４−１〜３３４−ｎ、３３４−ｍ  光ファイバーの出力端
３４０  ２次元複数ビーム光学ヘッド
４０１  ３次元構造
４０２−１〜４０２−７  粉体床
４０３  側部区画
４０５  頂部区画
４０６  融合領域
４０８−１〜４０８−７  構築層
４３１  ビーム
４４０  複数ビーム光学ヘッド
５０６  溶融ボール
５３１  複数ビーム分布露光
５３３  ビームスポット
７３３  分布露光パターン
７３５  走査領域
８３３  ２次元分布露光パターン
８３５  走査領域
９３３  １次元分布露光パターン
１０３３  ２次元分布露光パターン
１４０１  構造
１４０３  内部領域
１４０５  外側領域
１４３３  ビームスポット
１４３５  ビームスポット
１５０１  構造
１５０２  粉体床
１５０６  分布融合領域
１５２０  粉体布設機装置
１５４０  複数ビーム光学ヘッド
１６０２  粉体床
１６２０  粉体布設機装置
１６４０  複数ビーム光学ヘッド
１７０２  粉体床
１７２０  粉体布設機装置
１７４０  複数ビーム光学ヘッド
１８０１  構造
１８０２  粉体床
１８０４  粉体
１８１０  粉体床支持プラットフォーム
１８２０  粉体送達ホッパー
１８２２  布設機
１８４０  複数ビーム光学ヘッド
１９００  複数ビーム付加的製造システム
１９０２  粉体床
１９３０  光源
１９３１  ビーム
１９４０  光学ヘッド
１９４２  ポリゴンミラー
２０００  複数ビーム付加的製造システム
２００２  粉体床
２０３０  光源
２０３１  複数ビーム
２０４０  複数ビーム光学ヘッド
２０４２  めっきスキャナー
２０４５  Ｆシータ走査レンズ
２１０６  粉体領域
２１３４  光ファイバー出力端
２１４０  温度プロファイル
２２０６  粉体領域
２２３４、２３３４  光ファイバー出力端
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ｆ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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